WiFi基础(六)：天线基础知识
liwen01 2024.10.01
前言
麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹通过实验证实了麦克斯韦的预言，马可尼基于无线电磁波的原理发明了无线电报系统，从此人类进入无线通信系统时代。
天线是通信系统中必不可少的组成部分，它的作用是将电信号转换为电磁波信号发射出去，也可以将接收到的电磁波信号转换为电信号。
在 WiFi 应用中，WiFi 天线与 WiFi 性能关系密切，包括但不限于天线的方向、极化、增益、工作频率范围等参数。
(一) 中学物理基础
要理解天线的工作原理，需要复习一下中学物理基础知识，这里只做概述，不做详细介绍。其中部分基础知识可以参考第一篇文章内容《wifi基础(一)：无线电波与WIFI信号干扰、衰减》
(1) 麦克斯韦方程
詹姆斯·克拉克·麦克斯韦 提出了将电、磁、光统归为电磁场现象的麦克斯韦方程组，实现了物理学自牛顿后的第二次统一。
麦克斯韦方程组的微分表达式为：
可以简单概述为：
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高斯定律(电场) ：描述电场与电荷之间的关系，表明电荷是电场的源头，电场从正电荷发散，朝向负电荷收敛。
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高斯定律(磁场) ：说明磁场没有单极子(即不存在 孤立的 磁极)，磁场线是闭合的，即磁场的通量通过任意闭合曲面为零，南北磁极总是成对存在。
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法拉第定律：描述变化的磁场如何产生电场，变化的磁场会在周围空间产生旋转电场，这就是电磁感应现象。
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安培-麦克斯韦定律：描述电流和变化的电场如何产生磁场。变化的电场会感应出磁场，电磁波的传播是依靠这种变化的电场和磁场相互生成。
麦克斯韦在1864年发表的论文《电磁场的动力学理论》中提出电场和磁场以波的形式以光速在空间中传播，并提出光是引起同种介质电场和磁场中许多现象的电磁扰动，同时在理论上预测了电磁波的存在。
(2) 赫兹试验
1886 年海因里希·鲁道夫·赫兹用实验证实了电磁波的存在，并测出了电磁波传播的速度与光速相同，还进一步观察到电磁波具有聚焦、直进性、反射、折射和偏振等性质。
赫兹证明电磁波存在的试验，使用的装置是火花间隙发射器。
(1) 电路元件介绍：
B：电池或电源，提供电路所需的电能。
SW：开关，用来控制电路的通断，启动实验。
C：电容器，用于存储电能
T：变压器，使 S 两端产生高电压。
L: 变压器上的线圈，与电容一起形成 LC 谐振电路
I：断续器(Interrupter)，周期性地断开和闭合电路，使电容器快速充放电，产生一连串的阻尼波。
S：火花间隙，当电容器充满电后，电压升高到足够水平时，火花间隙处会产生火花放电，释放电容器C的能量。
M：接收器中的火花间隙，当电磁波到达时，这里也会产生火花，证明电磁波的存在。
(2) 工作原理：
能量储存：
当开关 SW 闭合时，电源 B 给电容器 C1 充电，在充电过程中，电流是变化的，变化的电流通过线圈 L1,产生变化的磁场，变化的磁场在线圈 L2 中产生感应电动势，为两个电容 C 充电。
C1 电容器逐渐储存能量，直到电路中没有电流流动，或者是 S 产生电离火花。
火花产生
当电容器 C 的电压升高到足够高的水平时，在火花间隙 S 处因为高压会把空气电离，在电场的作用下产生火花放电，释放电容器 C 中储存的能量。
火花放电时，产生了一个快速的电流变化(电流脉冲)，激发线圈 L 中的电流，并在周围的空间中产生电磁波。
这里产生的放电火花，其原理与特斯拉线圈原理类似，都是通过高电压电离空气放电产生火花。
电磁波传播：
由于电流的快速变化，根据麦克斯韦方程，变化的电流会产生变化的磁场，而变化的磁场在线圈中会感应出电场，这种变化的电磁场会以电磁波的形式在空间中传播。
接收电磁波：
当电磁波到达收器的环形天线 M 时，它在导线环中激发出感应电动势，使得导线环两个小球之间也产生了火花，说明这个导线环接收到了电磁波。
火花隙发射器的一个基本限制是它们产生的是瞬态脉冲，称为阻尼波，无法产生用于在现代无线电传输中的连续波(比如广播，无线电话信号等)。
(二) 偶极子天线
偶极子天线(Dipole Antenna)是最简单、最基础的天线类型之一，也是现代无线通信系统中应用最广泛的天线之一,它由两个相同长度的导体构成。
- 在偶极子天线的金属导体中，通过输入交变电流，电流会随着时间以正弦波的形式周期性变化
- 当交变电流继续在天线中流动时，电流的方向反复改变，形成不断变化的电场和磁场。
- 这两个场互相感应：变化的电场产生磁场，变化的磁场又产生电场，形成了电磁波。
电磁波可以想象为电场和磁场的自传播横向振荡波
- 若两导线的距离很近，电场被束缚在两导线之间，因而辐射很微弱
- 将两导线张开，电场就散播在周围空间，电磁波辐射增强。
- 在实际应用中，偶极子天线会向所有方向发射电磁波，但发射的强度在不同方向上是不均匀的。
通常，天线的主要辐射方向与天线轴垂直，呈现出一种圆环形辐射模式。
偶极子天线中产生电磁波的这两根导线叫振子。一般情况下，振子的大小在半个波长的时候效果最好，所以也经常被称作半波振子。
有了振子，就可以发送连续的电磁波了。
(三) 天线的方向
天线的方向性是指天线向一定方向辐射电磁波的能力。对于接收天线而言，方向性表示天线对不同方向传来的电磁波所具有的接收能力。
天线对空间不同方向具有不同的辐射或接收能力，这就是天线的方向性。
按天线的方向性可以将天线可以分为全向天线和定向天线两大类。
(1) 全向天线
- 在水平面上，辐射与接收无最大方向的天线称为全向天线。
- 全向天线由于其无方向性，所以多用在点对多点通信的中心台。
- 常用的 WiFi 天线都是全向天线
半波对称振子天线的辐射方向
水平面(H面)
- 左边的圆形图表示的是从天线的顶部往下看的水平切面，即天线在水平方向上的辐射图。
- 这个天线在水平方向上是全向辐射的(辐射范围均匀)，类似于一个圆形的辐射图，箭头表明信号向四面八方均匀扩展。
- 这意味着在水平方向上，信号强度是相等的
垂直面(E面)
- 右边的图是垂直面上的辐射方向图，即从天线的侧面看。天线的垂直辐射模式在垂直面上类似于一个“8”字形。
- 表明天线在垂直方向上不是全向的，而是有一定的方向性。信号强度在某些角度较强，而在其他角度(例如上下方向)较弱。
- 在振子的轴线方向上它的辐射为零
(2)定向天线
- 在水平面上，有一个或多个最大方向的天线称为定向天线
- 定向天线由于具有最大辐射或接收方向，因此能量集中，适合于远距离通信
- 由于具有方向性，抗干扰能力比较强
- 常见的有平板天线(Panel Antenna)、抛物面天线(Parabolic Antenna)
使用抛物反射面，把功率反射到单侧方向，能量集中到一个小立体角内，反射从而获得很高的增益。
(四) 天线的极化
天线的极化(Antenna Polarization)指的是天线辐射或接收电磁波的电场矢量的方向。
由于电场与磁场有恒定的关系，故一般都以电场矢量的方向作为天线辐射电磁波的极化方向，并且是以天线最大辐射方向上的电场矢量方向为天线的极化方向。
天线极化主要有：线性极化、圆形极化和椭圆极化三大类：
(1) 线极化(Linear Polarization)
线极化是指电磁波的电场矢量沿一条直线振动，根据方向可以进一步分为：
- 垂直极化(Vertical Polarization)：电场矢量在垂直方向上振动。这种极化方式常用于地面通信、广播和一些移动通信应用，因为信号传播时更容易绕过障碍物。
- 水平极化(Horizontal Polarization)：电场矢量在水平方向上振动。它在某些特殊的环境中有更好的穿透性，比如远距离无线电通信。
线极化特点
- 线极化天线通常用于固定方向的点对点通信，因为它的电场方向是单一的
- 垂直和水平极化天线之间的匹配度非常重要，极化不匹配会导致信号损耗(称为极化损耗)
(2) 圆极化(Circular Polarization)
圆极化是指电场矢量随着时间呈螺旋形旋转，电场的方向不断变化，形成圆形振动轨迹。圆极化分为两种类型：
右旋圆极化(Right-Hand Circular Polarization, RHCP) ：电场矢量以顺时针方向旋转。
左旋圆极化(Left-Hand Circular Polarization, LHCP) ：电场矢量以逆时针方向旋转。
- 圆极化的优势在于它能够适应多径传播环境中的复杂反射，因为电场方向不断变化，接收器能够在不同的反射路径上保持良好的信号接收。
- 圆极化天线广泛应用于卫星通信、无人机控制、GPS等场景，特别适合移动和旋转设备的通信。
(3) 椭圆极化(Elliptical Polarization)
椭圆极化是介于线极化和圆极化之间的一种极化类型。电场矢量以椭圆的轨迹旋转，极化不完全是线性或圆形。这种极化通常出现在天线设计中的一些特殊应用中
(4)双极化天线(Dual-Polarized Antenna)
双极化天线通过两个独立的辐射单元来传输和接收信号，每个单元具有不同的极化方向.
这两个极化方向彼此正交，因此可以在同一频率下发送和接收两组不同的信号，极大地提高了数据传输的效率。
这种正交极化的方式能够在不干扰对方的情况下实现双流信号传输
下图是某款AP的内置天线
双极化天线的主要优势
提高频谱效率：双极化天线可以在同一个频率上同时传输两个独立的信号流，从而实现双倍的数据传输速率。这对于提高频谱利用率尤其重要，特别是在蜂窝通信和无线局域 WiFi 网中。
增强信号质量(MIMO 技术支持) ：双极化天线可以支持MIMO(多输入多输出)技术，通过使用多个天线单元和极化方向，能够更好地应对信号的反射、衰减和多径效应，从而提升无线信号的覆盖范围和稳定性。
降低相互干扰(Cross-Polarization Isolation) ：双极化天线能够减少相互干扰，因为它的两个极化方向是正交的(90度相位差)。这种隔离减少了相邻频率段的干扰，尤其是在高密度的无线电环境中。
提升抗干扰能力：通过同时使用两个正交极化信号，双极化天线能够更好地应对环境中的干扰，特别是在复杂的多径传播环境中。极化不同的信号路径会有不同的干扰行为，因此可以有效分离信号和噪声。
增强空间多路复用(Spatial Multiplexing) ：在MIMO系统中，双极化天线通过同时使用两个正交极化方向，可以实现空间多路复用，从而进一步增加数据传输速率。这在现代的无线通信系统中极为重要。
(5)极化匹配
天线之间的极化匹配对于信号传输的效率至关重要。如果发射天线和接收天线的极化不匹配(例如一个天线是垂直极化而另一个是水平极化)，会导致显著的信号损耗，这种现象被称为极化损耗。在极端情况下，极化不匹配的天线可能会完全无法接收信号。
同极化通信：发射天线和接收天线的极化相同，通信效率高，信号损耗小。
交叉极化损耗：发射和接收天线的极化不一致时，接收信号会显著减弱，损耗增加s
(五) 天线的增益
天线通常是无源器件，它并不放大电磁信号。
天线增益并不表示天线实际放大了信号，而是表示天线能够将输入的功率在某个方向上更集中地辐射。更高的增益意味着天线在某个方向上辐射或接收的功率更强，但在其他方向上相应的功率较弱。因此，天线增益越高，天线的方向性越强。
天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，是选择天线最重要的参数之一，与具体的天线型号相关。
(1)天线增益的单位
天线的增益单位有两个 dBi 和 dBd
(a)dBi(相对于各向同性天线的增益)
- dBi 是天线增益相对于 各向同性天线(Isotropic Antenna) 的增益。各向同性天线是一种理想的天线，它能够在所有方向上均匀辐射能量，因此它的增益在所有方向都是相同的，且定义为 0 dBi
- 使用 dBi 作为增益单位时，它表示天线在特定方向上的辐射功率与同等条件下的各向同性天线相比多了多少分贝。
- dBi 是天线增益的国际标准单位，因此它被广泛用于天线的规格说明中，尤其是在Wi-Fi路由器、无线电、卫星通信等设备中。
(b) dBd (相对于偶极子天线的增益)
- dBd 是天线增益相对于 半波偶极子天线(Half-Wave Dipole Antenna)的增益。半波偶极子天线是一种常用的参考天线，其辐射能量相对于各向同性天线有更强的方向性，且在水平方向上具有更大的辐射能力。
- 半波偶极子天线的增益为 2.15 dBi，这意味着偶极子天线在水平方向上辐射的功率比各向同性天线高出 2.15 dB。因此，当天线增益以 dBd 为单位时，表示的是天线与半波偶极子天线相比的增益。
由于半波偶极子天线的增益为 2.15 dBi，因此 dBi 和 dBd 之间的关系是：dBi=dBd+2.15
在多数 WiFi 设备中，天线增益通常以 dBi 标注，表明其相对于各向同性天线的辐射性能。常见的家用WiFi路由器天线增益在 2 dBi到 5 dBi之间。
(六) 波瓣宽度
天线的波瓣宽度一般指主瓣的半功率波瓣宽度(Half-Power Beamwidth，HPBW)。它表示主瓣内两个方向上信号强度下降到最大强度一半(-3 dB)时所形成的角度差，通常用角度度数(°)来表示。
波瓣(Lobe) ：天线辐射方向图的每个凸起部分称为波瓣。主波瓣是辐射最强的波瓣，侧波瓣和背波瓣是相对较弱的波瓣。
半功率点(Half-Power Point) ：波瓣宽度定义为天线主瓣功率达到其最大功率的50%处的角度范围，即从最大辐射方向减弱3 dB的功率点。
波瓣宽度(Beamwidth) ：波瓣宽度表示主波瓣从左侧半功率点到右侧半功率点之间的角度。这一角度通常定义为 -3 dB波瓣宽度
宽波瓣 ：全向天线通常具有较宽的波瓣宽度，辐射或接收的方向性较弱，适合覆盖较大的区域，例如家庭WiFi路由器的全向天线。
窄波瓣 ：定向天线具有较窄的波瓣宽度，适合长距离和高精度的通信场景，例如微波通信、卫星通信和无线电传输等。
(1)波瓣宽度与天线增益的关系
天线的波瓣宽度与增益之间存在反比关系。通常情况下，天线的波瓣宽度越窄，天线的增益越高。这是因为窄波瓣天线能将更多的能量集中在较小的角度范围内，从而提高在该方向上的信号强度
(2)波瓣宽度的测量方法
天线的波瓣宽度通常通过测量天线的 辐射方向图(Radiation Pattern)得到。辐射方向图是一个三维图像，展示天线在不同方向上辐射功率的分布情况。
通过在不同方向上测量功率密度，找到主波瓣的半功率点，计算两个半功率点之间的角度差，即波瓣宽度
结尾
天线是 WiFi 设备的一个重要组成部分，电波传播与天线也是一门独立的学科，涉及到的知识非常多。我并非通信专业人员、对天线知识仅知皮毛。
为了写这个 WiFi 系列介绍，其实很多知识点我也是现学的，虽然已尽全力，但错误之处在所难免。若蒙读者诸君不吝告知，将不胜感激。
下篇将补上 WiFi 组网相关的基础知识介绍。
