Wi-Fi天线的基本原理

Wi-Fi通信依赖于通过天线传输和接收的射频能量。更好的天线将产生更好的覆盖范围，如果你了解基本原理，选择正确的天线是很容易的。

天线一般

虽然本系列文章的主题是专为Wi-Fi使用的天线，但一些关于天线的背景知识将会有所帮助。这是一系列的第一个。

天线是一种设备，当提供电力时，辐射无线电波，和/或一种设备，将无线电波转换成电能。天线有时被有意地设计成天线(比如无线路由器上的天线)，有时被设计成另一种用途(比如耳塞上的电线)，但顺便也有天线的功能。

天线总是有方向的——也就是说，它们在某些方向上比在其他方向上更好地发射和/或接收无线电波。不打算定向的天线被称为“全向”或“无向”，尽管它们从来都不是完全无向的。

波长，频率和天线长度

无线电波，就像电磁波谱中的所有波一样，是以频率来测量的，频率的基本单位是赫兹(缩写Hz)，即每秒一个周期。赫兹是用来纪念海因里希·鲁道夫·赫兹他是第一个证明电磁波存在的人。基本的赫兹单位前面通常有一个乘数，例如千(1,000)或百万(1,000,000)或千兆(1,000,000,000)。

除了赫兹(频率单位)之外，无线电波有时也用“波长”来表示其长度。正如你可能意识到的，赫兹和波长在数学上是相关的，下面的公式通常用来定义这种关系。

波长(单位为米)= 300 /频率(单位为MHz)

例如，14.300 MHz的波长为20.979米。频率和波长之间的关系对天线设计尤其重要，因为频率的波长用于计算天线设计的许多维度。

偶极子天线

最简单的一种天线叫做“半波偶极子”，它总共有1 / 2波长长，由两半组成，每半都有1 / 4波长长。这两部分的每一部分都由馈线中的一个单独的导体馈电。

对于前面提到的14.300 MHz频率，一个偶极子理论上是10.4895米(20.979的½)从头到尾，并将由两个元素组成，每个元素5.24476米长。然而，请注意，天线并不总是按照计算出的理论尺寸构造的。

下面的照片显示了一个小得多的(自制的)偶极子用于短程数字电视接收，并证明了所有的偶极子共享的简单性，不管他们的工作频率。

散热器由从普通衣架上剪下的钢丝制成，用钢制螺母和螺栓与同轴传输线连接。一小块穿孔板是中心绝缘子和装配的结构基础。是的，尽管天线的构造很粗糙，当它挂在电视背面离地面4英尺时，它确实能接收到20英里外的电视台的高清电视信号。(您应该能够从本文中给出的信息计算出操作频率。)

天线极化

天线相对于地球表面的方向称为它的“极化”。那些旨在使其无线电波主要朝向平行于地球表面的被称为“水平”，那些旨在使其无线电波主要朝向与地球表面成直角的被称为“垂直”。

一些天线，如上图所示的偶极子，可以简单地通过改变位置来实现极化。在上面显示的方向中，偶极子的元素平行于地球表面，因此天线是水平极化的。重新定位偶极子，使其元素尖端指向上下，使其垂直极化。

选择一种极化而不是另一种极化所涉及的因素包括工作频率、期望的覆盖范围、机械约束和习惯实践。一个非常重要的考虑是，通信系统中的所有天线应该使用相同的极化。当系统中存在多种极化时，或当某些天线的极化未知时，有时会使用圆极化来最大化兼容性。Wi-Fi天线几乎都是垂直极化的。

天线增益

如前所述，天线在某些方向更好地发射(和接收)无线电波，从而增加了这些方向的有效辐射功率(ERP)。注意，总辐射功率并没有增加，只是在一个或多个方向上更强，而在其他方向上更弱。即使是一个简单的水平偶极子也能在两个方向上获得增益:在“前”和“后”两侧都与它的辐射体平行。

这种ERP的增加被称为“增益”，适用于发送和接收的信号。用来量化增益的测量单位是分贝或数据库贝尔是为了纪念亚历山大·格雷厄姆·贝尔而命名的。如果您想了解如何计算bel和分贝，那就只能靠您自己了，因为这超出了本文的范围。我只想说，天线的分贝等级越高，增益就越大。

除了dB，还有另一个用来描述天线增益的单位:dBi，或分贝各向同性。各向同性源是一种理论天线，它由一个点组成，向每个方向辐射射频，就像一个球。dBi通常用于量化天线增益，原因之一是:dBi评级结果比dB评级更高，这使得天线似乎有更多的增益，即使它实际上没有更多的增益。

与前面一样，计算dBi的确切方法对于本讨论不是必要的。请记住:更高的dB或dBi评级意味着更高的增益，如果你在比较天线，请确保它们使用相同的测量单位——dB或dBi——而不是两者的混合。

无线频率

Wi-Fi传输有五种不同的频段:2.4GHz、3.6GHz、4.9GHz、5GHz和5.9GHz。乐队的使用方式因国而异。使用最广泛的是2.4GHz频段，这将是本文的重点，但一般原则适用于所有频段。

2.4GHz频段从大约2.4GHz延伸到2.5GHz;因此，这个频带的近似中心是2.45GHz，这个频率将用于下面的计算。

上面呈现的公式

波长(单位为米)= 300 /频率(单位为MHz)

可以方便的转换为以下。

波长(毫米)= 300 /频率(GHz)

因此，2.45GHz信号的波长为122.45 mm。2.45GHz的偶极子端到端的长度为61.22 mm，两端各为30.61 mm。对于那些习惯以英寸为单位工作的人来说，2.45GHz的偶极子端到端是2.41英寸，两个半的每一个都是1.205英寸。无论你使用哪种单位，这些元素在2.4GHz频段中都非常小，在其他四个频段中甚至更小。

wi - fi偶极子

下图显示了从2.4GHz无线路由器上移除的两个Wi-Fi天线。底部天线保留在其塑料盖内，并保留铰链底座，使其能够垂直导向，而不管路由器的安装位置如何。顶部的天线已经从它的塑料盖上移开，露出内部结构。

虽然不是很明显，但天线是一个偶极子。偶极子的一半是左边突出的白色导线，另一半是金属圆柱。每一半与另一半电绝缘，大约有1 / 4波长长。类似的天线增益约为2dBi，辐射方向相对呈圆形。

在这两种情况下，电线馈线从天线底部出口，连接到Wi-Fi无线电收发器。馈线为具有内导体和外编织屏蔽层的同轴电缆;一个透明的塑料外壳包裹着馈线。这种馈线通常用于Wi-Fi设备，因为它的体积小，射频损耗相对较低;它被命名为RG-178。同轴馈线通常被称为“同轴”。

同轴电缆的另一端连接到路由器，如下图所示。注意，屏蔽板安全地焊接在PCB的接地上，中心导体焊接在PCB轨道上，PCB轨道通向金金属盒内的收发器。插图显示了另一种焊接方式;有时连接器是焊接到PCB和同轴电缆配备的配套连接器，卡到位。

即将到来的

在这一点上，您应该了解天线的基本原理，因为它们适用于Wi-Fi。本系列后续文章将重点讨论用于Wi-Fi的非定向天线和定向天线。我们将讨论商用天线和自制天线，并为您提供建设、扩展和改进Wi-Fi网络的指导方针。