liwen01 2024.10.01
前言
麥克斯韋預言了電磁波的存在，赫茲透過實驗證實了麥克斯韋的預言，馬可尼基於無線電磁波的原理發明瞭無線電報系統，從此人類進入無線通訊系統時代。
天線是通訊系統中必不可少的組成部分，它的作用是將電訊號轉換為電磁波訊號發射出去，也可以將接收到的電磁波訊號轉換為電訊號。
在 WiFi 應用中，WiFi 天線與 WiFi 效能關係密切，包括但不限於天線的方向、極化、增益、工作頻率範圍等引數。
(一) 中學物理基礎
要理解天線的工作原理，需要複習一下中學物理基礎知識，這裡只做概述，不做詳細介紹。其中部分基礎知識可以參考第一篇文章內容《wifi基礎(一)：無線電波與WIFI訊號干擾、衰減》
(1) 麥克斯韋方程
詹姆斯·克拉克·麥克斯韋 提出了將電、磁、光統歸為電磁場現象的麥克斯韋方程組，實現了物理學自牛頓後的第二次統一。
麥克斯韋方程組的微分表示式為：
可以簡單概述為：
-
高斯定律(電場) ：描述電場與電荷之間的關係，表明電荷是電場的源頭，電場從正電荷發散，朝向負電荷收斂。
-
高斯定律(磁場) ：說明磁場沒有單極子(即不存在 孤立的 磁極)，磁場線是閉合的，即磁場的通量透過任意閉合曲面為零，南北磁極總是成對存在。
-
法拉第定律：描述變化的磁場如何產生電場，變化的磁場會在周圍空間產生旋轉電場，這就是電磁感應現象。
-
安培-麥克斯韋定律：描述電流和變化的電場如何產生磁場。變化的電場會感應出磁場，電磁波的傳播是依靠這種變化的電場和磁場相互生成。
麥克斯韋在1864年發表的論文《電磁場的動力學理論》中提出電場和磁場以波的形式以光速在空間中傳播，並提出光是引起同種介質電場和磁場中許多現象的電磁擾動，同時在理論上預測了電磁波的存在。
(2) 赫茲試驗
1886 年海因裡希·魯道夫·赫茲用實驗證實了電磁波的存在，並測出了電磁波傳播的速度與光速相同，還進一步觀察到電磁波具有聚焦、直進性、反射、折射和偏振等性質。
赫茲證明電磁波存在的試驗，使用的裝置是火花間隙發射器。
(1) 電路元件介紹：
B：電池或電源，提供電路所需的電能。
SW：開關，用來控制電路的通斷，啟動實驗。
C：電容器，用於儲存電能
T：變壓器，使 S 兩端產生高電壓。
L: 變壓器上的線圈，與電容一起形成 LC 諧振電路
I：斷續器(Interrupter)，週期性地斷開和閉合電路，使電容器快速充放電，產生一連串的阻尼波。
S：火花間隙，當電容器充滿電後，電壓升高到足夠水平時，火花間隙處會產生火花放電，釋放電容器C的能量。
M：接收器中的火花間隙，當電磁波到達時，這裡也會產生火花，證明電磁波的存在。
(2) 工作原理：
能量儲存：
當開關 SW 閉合時，電源 B 給電容器 C1 充電，在充電過程中，電流是變化的，變化的電流透過線圈 L1,產生變化的磁場，變化的磁場線上圈 L2 中產生感應電動勢，為兩個電容 C 充電。
C1 電容器逐漸儲存能量，直到電路中沒有電流流動，或者是 S 產生電離火花。
火花產生
當電容器 C 的電壓升高到足夠高的水平時，在火花間隙 S 處因為高壓會把空氣電離，在電場的作用下產生火花放電，釋放電容器 C 中儲存的能量。
火花放電時，產生了一個快速的電流變化(電流脈衝)，激發線圈 L 中的電流，並在周圍的空間中產生電磁波。
這裡產生的放電火花，其原理與特斯拉線圈原理類似，都是透過高電壓電離空氣放電產生火花。
電磁波傳播：
由於電流的快速變化，根據麥克斯韋方程，變化的電流會產生變化的磁場，而變化的磁場線上圈中會感應出電場，這種變化的電磁場會以電磁波的形式在空間中傳播。
接收電磁波：
當電磁波到達收器的環形天線 M 時，它在導線環中激發出感應電動勢，使得導線環兩個小球之間也產生了火花，說明這個導線環接收到了電磁波。
火花隙發射器的一個基本限制是它們產生的是瞬態脈衝，稱為阻尼波，無法產生用於在現代無線電傳輸中的連續波(比如廣播，無線電話訊號等)。
(二) 偶極子天線
偶極子天線(Dipole Antenna)是最簡單、最基礎的天線型別之一，也是現代無線通訊系統中應用最廣泛的天線之一,它由兩個相同長度的導體構成。
- 在偶極子天線的金屬導體中，透過輸入交變電流，電流會隨著時間以正弦波的形式週期性變化
- 當交變電流繼續在天線中流動時，電流的方向反覆改變，形成不斷變化的電場和磁場。
- 這兩個場互相感應：變化的電場產生磁場，變化的磁場又產生電場，形成了電磁波。
電磁波可以想象為電場和磁場的自傳播橫向振盪波
- 若兩導線的距離很近，電場被束縛在兩導線之間，因而輻射很微弱
- 將兩導線張開，電場就散播在周圍空間，電磁波輻射增強。
- 在實際應用中，偶極子天線會向所有方向發射電磁波，但發射的強度在不同方向上是不均勻的。
通常，天線的主要輻射方向與天線軸垂直，呈現出一種圓環形輻射模式。
偶極子天線中產生電磁波的這兩根導線叫振子。一般情況下，振子的大小在半個波長的時候效果最好，所以也經常被稱作半波振子。
有了振子，就可以傳送連續的電磁波了。
(三) 天線的方向
天線的方向性是指天線向一定方向輻射電磁波的能力。對於接收天線而言，方向性表示天線對不同方向傳來的電磁波所具有的接收能力。
天線對空間不同方向具有不同的輻射或接收能力，這就是天線的方向性。
按天線的方向性可以將天線可以分為全向天線和定向天線兩大類。
(1) 全向天線
- 在水平面上，輻射與接收無最大方向的天線稱為全向天線。
- 全向天線由於其無方向性，所以多用在點對多點通訊的中心臺。
- 常用的 WiFi 天線都是全向天線
半波對稱振子天線的輻射方向
水平面(H面)
- 左邊的圓形圖表示的是從天線的頂部往下看的水平切面，即天線在水平方向上的輻射圖。
- 這個天線在水平方向上是全向輻射的(輻射範圍均勻)，類似於一個圓形的輻射圖，箭頭表明訊號向四面八方均勻擴充套件。
- 這意味著在水平方向上，訊號強度是相等的
垂直面(E面)
- 右邊的圖是垂直面上的輻射方向圖，即從天線的側面看。天線的垂直輻射模式在垂直面上類似於一個“8”字形。
- 表明天線在垂直方向上不是全向的，而是有一定的方向性。訊號強度在某些角度較強，而在其他角度(例如上下方向)較弱。
- 在振子的軸線方向上它的輻射為零
(2)定向天線
- 在水平面上，有一個或多個最大方向的天線稱為定向天線
- 定向天線由於具有最大輻射或接收方向，因此能量集中，適合於遠距離通訊
- 由於具有方向性，抗干擾能力比較強
- 常見的有平板天線(Panel Antenna)、拋物面天線(Parabolic Antenna)
使用拋物反射面，把功率反射到單側方向，能量集中到一個小立體角內，反射從而獲得很高的增益。
(四) 天線的極化
天線的極化(Antenna Polarization)指的是天線輻射或接收電磁波的電場向量的方向。
由於電場與磁場有恆定的關係，故一般都以電場向量的方向作為天線輻射電磁波的極化方向，並且是以天線最大輻射方向上的電場向量方向為天線的極化方向。
天線極化主要有：線性極化、圓形極化和橢圓極化三大類：
(1) 線極化(Linear Polarization)
線極化是指電磁波的電場向量沿一條直線振動，根據方向可以進一步分為：
- 垂直極化(Vertical Polarization)：電場向量在垂直方向上振動。這種極化方式常用於地面通訊、廣播和一些行動通訊應用，因為訊號傳播時更容易繞過障礙物。
- 水平極化(Horizontal Polarization)：電場向量在水平方向上振動。它在某些特殊的環境中有更好的穿透性，比如遠距離無線電通訊。
線極化特點
- 線極化天線通常用於固定方向的點對點通訊，因為它的電場方向是單一的
- 垂直和水平極化天線之間的匹配度非常重要，極化不匹配會導致訊號損耗(稱為極化損耗)
(2) 圓極化(Circular Polarization)
圓極化是指電場向量隨著時間呈螺旋形旋轉，電場的方向不斷變化，形成圓形振動軌跡。圓極化分為兩種型別：
右旋圓極化(Right-Hand Circular Polarization, RHCP) ：電場向量以順時針方向旋轉。
左旋圓極化(Left-Hand Circular Polarization, LHCP) ：電場向量以逆時針方向旋轉。
- 圓極化的優勢在於它能夠適應多徑傳播環境中的複雜反射，因為電場方向不斷變化，接收器能夠在不同的反射路徑上保持良好的訊號接收。
- 圓極化天線廣泛應用於衛星通訊、無人機控制、GPS等場景，特別適合移動和旋轉裝置的通訊。
(3) 橢圓極化(Elliptical Polarization)
橢圓極化是介於線極化和圓極化之間的一種極化型別。電場向量以橢圓的軌跡旋轉，極化不完全是線性或圓形。這種極化通常出現在天線設計中的一些特殊應用中
(4)雙極化天線(Dual-Polarized Antenna)
雙極化天線透過兩個獨立的輻射單元來傳輸和接收訊號，每個單元具有不同的極化方向.
這兩個極化方向彼此正交，因此可以在同一頻率下傳送和接收兩組不同的訊號，極大地提高了資料傳輸的效率。
這種正交極化的方式能夠在不干擾對方的情況下實現雙流訊號傳輸
下圖是某款AP的內建天線
雙極化天線的主要優勢
提高頻譜效率：雙極化天線可以在同一個頻率上同時傳輸兩個獨立的訊號流，從而實現雙倍的資料傳輸速率。這對於提高頻譜利用率尤其重要，特別是在蜂窩通訊和無線局域 WiFi 網中。
增強訊號質量(MIMO 技術支援) ：雙極化天線可以支援MIMO(多輸入多輸出)技術，透過使用多個天線單元和極化方向，能夠更好地應對訊號的反射、衰減和多徑效應，從而提升無線訊號的覆蓋範圍和穩定性。
降低相互干擾(Cross-Polarization Isolation) ：雙極化天線能夠減少相互干擾，因為它的兩個極化方向是正交的(90度相位差)。這種隔離減少了相鄰頻率段的干擾，尤其是在高密度的無線電環境中。
提升抗干擾能力：透過同時使用兩個正交極化訊號，雙極化天線能夠更好地應對環境中的干擾，特別是在複雜的多徑傳播環境中。極化不同的訊號路徑會有不同的干擾行為，因此可以有效分離訊號和噪聲。
增強空間多路複用(Spatial Multiplexing) ：在MIMO系統中，雙極化天線透過同時使用兩個正交極化方向，可以實現空間多路複用，從而進一步增加資料傳輸速率。這在現代的無線通訊系統中極為重要。
(5)極化匹配
天線之間的極化匹配對於訊號傳輸的效率至關重要。如果發射天線和接收天線的極化不匹配(例如一個天線是垂直極化而另一個是水平極化)，會導致顯著的訊號損耗，這種現象被稱為極化損耗。在極端情況下，極化不匹配的天線可能會完全無法接收訊號。
同極化通訊：發射天線和接收天線的極化相同，通訊效率高，訊號損耗小。
交叉極化損耗：發射和接收天線的極化不一致時，接收訊號會顯著減弱，損耗增加s
(五) 天線的增益
天線通常是無源器件，它並不放大電磁訊號。
天線增益並不表示天線實際放大了訊號，而是表示天線能夠將輸入的功率在某個方向上更集中地輻射。更高的增益意味著天線在某個方向上輻射或接收的功率更強，但在其他方向上相應的功率較弱。因此，天線增益越高，天線的方向性越強。
天線增益是用來衡量天線朝一個特定方向收發訊號的能力，是選擇天線最重要的引數之一，與具體的天線型號相關。
(1)天線增益的單位
天線的增益單位有兩個 dBi 和 dBd
(a)dBi(相對於各向同性天線的增益)
- dBi 是天線增益相對於 各向同性天線(Isotropic Antenna) 的增益。各向同性天線是一種理想的天線，它能夠在所有方向上均勻輻射能量，因此它的增益在所有方向都是相同的，且定義為 0 dBi
- 使用 dBi 作為增益單位時，它表示天線在特定方向上的輻射功率與同等條件下的各向同性天線相比多了多少分貝。
- dBi 是天線增益的國際標準單位，因此它被廣泛用於天線的規格說明中，尤其是在Wi-Fi路由器、無線電、衛星通訊等裝置中。
(b) dBd (相對於偶極子天線的增益)
- dBd 是天線增益相對於 半波偶極子天線(Half-Wave Dipole Antenna)的增益。半波偶極子天線是一種常用的參考天線，其輻射能量相對於各向同性天線有更強的方向性，且在水平方向上具有更大的輻射能力。
- 半波偶極子天線的增益為 2.15 dBi，這意味著偶極子天線在水平方向上輻射的功率比各向同性天線高出 2.15 dB。因此，當天線增益以 dBd 為單位時，表示的是天線與半波偶極子天線相比的增益。
由於半波偶極子天線的增益為 2.15 dBi，因此 dBi 和 dBd 之間的關係是：dBi=dBd+2.15
在多數 WiFi 裝置中，天線增益通常以 dBi 標註，表明其相對於各向同性天線的輻射效能。常見的家用WiFi路由器天線增益在 2 dBi到 5 dBi之間。
(六) 波瓣寬度
天線的波瓣寬度一般指主瓣的半功率波瓣寬度(Half-Power Beamwidth，HPBW)。它表示主瓣內兩個方向上訊號強度下降到最大強度一半(-3 dB)時所形成的角度差，通常用角度度數(°)來表示。
波瓣(Lobe) ：天線輻射方向圖的每個凸起部分稱為波瓣。主波瓣是輻射最強的波瓣，側波瓣和背波瓣是相對較弱的波瓣。
半功率點(Half-Power Point) ：波瓣寬度定義為天線主瓣功率達到其最大功率的50%處的角度範圍，即從最大輻射方向減弱3 dB的功率點。
波瓣寬度(Beamwidth) ：波瓣寬度表示主波瓣從左側半功率點到右側半功率點之間的角度。這一角度通常定義為 -3 dB波瓣寬度
寬波瓣 ：全向天線通常具有較寬的波瓣寬度，輻射或接收的方向性較弱，適合覆蓋較大的區域，例如家庭WiFi路由器的全向天線。
窄波瓣 ：定向天線具有較窄的波瓣寬度，適合長距離和高精度的通訊場景，例如微波通訊、衛星通訊和無線電傳輸等。
(1)波瓣寬度與天線增益的關係
天線的波瓣寬度與增益之間存在反比關係。通常情況下，天線的波瓣寬度越窄，天線的增益越高。這是因為窄波瓣天線能將更多的能量集中在較小的角度範圍內，從而提高在該方向上的訊號強度
(2)波瓣寬度的測量方法
天線的波瓣寬度通常透過測量天線的 輻射方向圖(Radiation Pattern)得到。輻射方向圖是一個三維影像，展示天線在不同方向上輻射功率的分佈情況。
透過在不同方向上測量功率密度，找到主波瓣的半功率點，計算兩個半功率點之間的角度差，即波瓣寬度
結尾
天線是 WiFi 裝置的一個重要組成部分，電波傳播與天線也是一門獨立的學科，涉及到的知識非常多。我並非通訊專業人員、對天線知識僅知皮毛。
為了寫這個 WiFi 系列介紹，其實很多知識點我也是現學的，雖然已盡全力，但錯誤之處在所難免。若蒙讀者諸君不吝告知，將不勝感激。
下篇將補上 WiFi 組網相關的基礎知識介紹。