【高频微波射频电路板】之 天线工作原理介绍

对于局域网 (LAN) 来说，要提供良好的覆盖范围，改进天线通常比增加接入点更好（且更便宜）。定向天线有时是更好的选择，但全向增益天线通常效果更好。

背景信息

深入了解 Wi-Fi 天线设计，针对 Wi-Fi 无线电频率、波长和天线尺寸之间关系的一些背景信息，我们需要了解这些细节。这些细节对于全面理解本文至关重要。

什么是全向 Wi-Fi 天线？

如前所述，唯一真正全向的天线是各向同性源，即理论上的单点源，其辐射方向在所有方向上均等。因此，如果可以观察到辐射，它们看起来就像一个球体，中心点非常密集，距离中心点越远，密度就越小。如果存在这样的天线，它可能在外太空有用，但在地球上用处不大。

在与地球表面平行的所有方向上辐射均匀的天线被称为“全向天线”，并且大多数天线都是垂直极化的。完美的垂直极化全向天线将发出圆环形状的辐射图，天线位于正中心。当然，没有完美的天线，因此也没有完美的圆环辐射图；所有现实世界的天线都存在一些模式缺陷。

最常见的三种垂直极化全向天线是半波长偶极子天线、四分之一波长接地平面天线和共线阵列。本文将在 2.4 GHz 频段的 Wi-Fi 通信背景下简要讨论这三种天线，并展示每种天线的自制示例。

半波长偶极子

最常见的室内 Wi-Fi 天线是半波长（或半波）偶极天线。许多无线接入点和路由器都使用半波偶极天线，该天线包含在从设备背面或顶部伸出的塑料外壳内。下图显示了从塑料外壳中取出的这种天线，中间的为去掉塑料外壳里面的Wi-Fi 天线实际的样子。

该天线的规格部分如下所示。在比较一个天线与另一个天线时，了解规格参数非常重要。

参数含义：

• 频率是天线设计的工作范围，和长度相关。

• VSWR代表电压驻波比，表示从天线反射回同轴电缆的功率与从天线传输的功率之比。VSWR 值越低，天线性能越好；理想的 VSWR 为 1:1。2:1 的 VSWR 表示传输到天线的功率中约 90% 或更多能有效辐射出去。

• 3.0dBi 的增益比全向源高出 3 dB。增益值越高，天线的性能就越好。

    标称阻抗是指天线的输入阻抗。许多天线的标称阻抗为 50 欧姆，因此      应使用阻抗也为 50 欧姆的同轴传输线进行馈电。

• 额定功率是指可以施加到天线而不会造成损坏的最大功率。Wi-Fi 发射器的输出功率通常很低。

• 温度定义了天线的工作温度范围。

• 长度是包括盖子在内的天线的总长度。

• 跌落测试定义了天线从多高处跌落而不会造成损坏。

你可以构建一个 Wi-Fi 偶极子

构建 Wi-Fi 偶极天线并不特别困难，只要有一些基本的手动工具并且对它的外观不太讲究。下图显示了自制的 2.4GHz 半波偶极天线。实际天线元件应与同轴电缆的垂直部分相隔至少 1/4 波长（30.5 毫米）。

下图显示了实际元件的细节。RG174/U 同轴电缆穿过 PCB 材料中心的一个小孔；中心导体焊接到一侧，编织物焊接到另一侧。通常，元件安装在高侧，中心导体在高侧。

你可以构建四分之一波长接地平面

虽然四分之一波长接地平面天线很少用于 Wi-Fi 应用，但它在其他频率上很受欢迎，而且易于构建。下图显示了自制的 2.4GHz 四分之一波长接地平面。

下图显示了实际元件的细节。RG174/U 同轴电缆穿过 PCB 材料中心的一个小孔；中心导体用作垂直元件，长约 30.5 毫米。同轴电缆编织物焊接到 PCB 材料的顶部。

共线天线

共线天线实际上是将多个偶极天线堆叠在一起形成的阵列，使得它们都在一条直线上，即“共线”。

上文偶极子部分已经解释过的规格项目将不再重复。

• 输入回波损耗 (S11)描述从天线反射回同轴电缆的功率。请注意，损耗以负数表示，因此 (负) 数越大，天线的性能越好。VSWR 类似，可能更容易理解；请参阅本文偶极子部分的解释。

• 杆直径是天线安装硬件可适应的杆尺寸范围。

• 额定风速是天线额定能承受的最大风速。

• 垂直波束宽度是垂直平面上辐射信号的宽度。

• 电气下倾与垂直带宽相关，用于将天线稍微向地面倾斜，而不是直接向地平线倾斜。

• 重量是天线和安装硬件的重量；而不是运输重量。

• 直径是天线横截面的直径。

• 风荷载是在给定风速下对天线施加的力。

  你可以构建共线天线
  

网络上有很多关于 Wi-Fi 共线天线的设计方案。下图显示了最常见的一种设计。

说明书通常提供上述确切信息，并建议您可以根据需要添加任意数量的中心部分以增加增益。有些结构包括由 PVC 管制成的防水外壳。

多次不同的构造尝试均未产生令人满意的结果。尝试包括上图所示的三元直线阵、六元版本（带绝缘和不带绝缘），最后是使用 18 AWG 电线构建的九元版本，其中下方三个元件如下所示。

有带接地平面和不带接地平面的变体。就共线天线上的接地平面提出以下建议：

通常，共线阵列被设计为自谐振结构，不需要接地平面。事实上，对于这种类型的设计，金属接地平面将被视为靠近天线的金属障碍物，因此辐射方向图和阻抗都会受到干扰。最终结果可能是由于反射/散射或不匹配问题导致辐射方向图出现意外零点，因为阻抗可能会发生变化。 [但是，]为了使天线长度更小，可以使用接地平面。在这种情况下，接地平面是故意设计的，是天线设计的一部分。

自制天线对比测试

正确测试射频设备（包括天线）需要复杂的程序、设施和设备。如果没有这些，可以尝试以下方法。

使用 ESP-01 模块构建独立的 Wi-Fi 测试接入点。

• 将测试接入点定位在三面石膏板和一面砖贴面墙的对面。

• 将一个ALFA AWUS036NH USB Wi-Fi适配器依次连接到各种天线上。（见下图。）

• 多次读取每个天线上测试接入点的信号强度，并取平均值。

• 创建了如下所示的表格。

当你考虑结果时，由于数字为负数，因此数字绝对值越低表示信号越强。

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