温故而知新——Wifi基础回顾

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Wi-Fi通信依赖于通过天线发送和接收的射频能量。更好的天线将产生更好的覆盖范围,如果您了解基本原理,选择合适的天线很容易。

 

天线

 

虽然本系列文章的主题是专门用于Wi-Fi的天线,但是一般有关天线的一些背景信息将会有所帮助。这是系列中的第一部。

 

天线是在供电时辐射无线电波的设备,和/或将无线电波转换成电能的设备。天线有时被故意创建为天线(如无线路由器上的天线),有时会出于其他目的(如耳塞上的电线),但偶然也可用作天线。

 

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天线始终是定向的 - 也就是说,它们在某些方向上比在其他方向上更好地发送和/或接收无线电波。不打算定向的天线称为“全向”或“非定向”,即使它们永远不是完全非定向的。

 

波长,频率和天线长度

 

与电磁频谱中的所有波一样,无线电波以频率测量,频率的基本单位是赫兹(缩写为Hz),其为每秒一个周期。Hertz用于纪念Heinrich Rudolf Hertz,他是第一个证明电磁波存在的人。基本的赫兹单位通常在乘数之前,如公斤(1,000)或兆(1,000,000)或千兆(1,000,000,000)。

 

除了作为频率单位的赫兹之外,有时通过使用术语“波长”来指代无线电波的长度。正如您可能意识到的那样,赫兹和波长这些术语在数学上是相关的,下面的公式是常用来定义那种关系。

 

波长(米)= 300 /频率(MHz)

 

例如,14.300MHz的频率具有20.979米的波长。频率和波长之间的这种关系对于天线设计尤为重要,因为频率的波长用于计算天线设计的许多尺寸。

 

偶极天线

 

最简单的天线之一被称为“半波偶极子”,总长度为1/2波长,并且由两半构成,每半半波长为1/4波长。两个半部中的每一个由馈线中的单独导体供电。

 

对于与前面提到的相同的14.300 MHz频率,偶极子理论上从端到端是10.4895(20.979米的1/2),并且由两个元件组成,每个元件长5.24476米。但是,请注意,并不总是根据计算出的理论尺寸精确构造天线。

 

下面的照片显示了用于短距离数字电视接收的小得多(自制)偶极子,并展示了所有偶极子共享的简单性,无论其工作频率如何。

 

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散热器由从普通衣架上切下的钢丝制成,并通过钢制螺母和螺栓连接到同轴传输线。一小块穿孔板是中心绝缘体和组装的结构基座。是的,尽管有天线的原始结构,它确实从距离20英里远的电视台接收高清电视信号,同时悬挂在距离地面4英尺的电视背面。(您应该能够根据本文中给出的信息计算工作频率。)

 

天线极化

 

天线相对于地球表面的方向称为“极化”。那些旨在使其无线电波主要平行于地球表面定向的那些被称为“水平”,而那些旨在使其无线电波主要以与地球表面成直角定向的那些被认为是“垂直。”

 

一些天线,如上图所示的偶极子,只需改变位置即可用于任一极化。在上面所示的方向上,偶极子元素平行于地球表面,因此天线是水平极化的。重新定向偶极子使其元素尖端上下指向使其垂直极化。

 

选择一种极化而非另一种极化所涉及的因素包括工作频率,所需覆盖范围,机械约束和惯常做法。一个非常重要的考虑因素是通信系统内的所有天线应使用相同的极化。当系统内存在极化混合时,或者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天线几乎总是垂直极化的。

 

天线增益

 

如前所述,天线在某些方向上更好地发射(和接收)无线电波,从而增加那些方向上的有效辐射功率(ERP)。注意,总辐射功率不增加,但仅在一个或多个方向上更强,而在其他方向上更弱。即使是简单的水平偶极子也会在两个方向上获得增益:与“前”和“后”两侧的散热器平行。

 

ERP的这种增加被称为“增益”,并且适用于发送和接收信号。最常用于量化增益的测量单位是以贝尔为单位的分贝或分贝,贝尔是以纪念亚历山大·格雷厄姆·贝尔命名的。如果您想了解如何计算Bels和分贝,那么您将独立完成,因为这超出了本文的范围。可以说,天线的dB额定值越高,它应该具有的增益越多。

 

除了dB之外,还有另一个单元用于描述天线增益:dBi或分贝各向同性。各向同性源是一种理论天线,由单个点组成,在每个方向上辐射RF,如球体。dBi更常用于量化天线增益有一个原因:dBi等级导致的数字高于dB等级,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。

 

和以前一样,计算dBi的确切方法对于这个讨论并不重要。请记住这一点:较高的dB或dBi额定值表示较高的增益,如果您要比较天线,请确保它们使用相同的测量单位 - dB或dBi - 但不是两者的混合。

 

Wi-Fi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家而异。最广泛使用的是2.4GHz频段,将成为本文的重点,但一般原则适用于所有频段。

 

2.4GHz频段从大约2.4GHz扩展到2.5GHz; 因此,频带的近似中心是2.45GHz,并且是用于随后计算的频率。

 

上面的公式

 

波长(米)= 300 /频率(MHz)

 

可以方便地转换为以下。

 

波长(毫米)= 300 /频率(以GHz为单位)

 

因此,2.45GHz信号的波长为122.45mm。2.45GHz的偶极子从端到端是61.22mm,两半中的每一个都是30.61mm。对于那些习惯于以英寸工作的人来说,2.45GHz的偶极子从头到尾是2.41“,两半中的每一个都是1.205”。无论您使用哪个单元,这些元素在2.4GHz频段都非常小,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无线路由器中移除的两个Wi-Fi天线。底部天线保留在其塑料盖中并保留铰接底座,无论路由器的安装位置如何,都允许其垂直定向。顶部天线已从其塑料盖上移除,以显示内部结构。

 

尽管可能不是很明显,但天线是偶极子。偶极子的一半是向左突出的白线,而偶极子的另一半是金属圆柱。每一半与另一半电绝缘,并且长度约为1/4波长。类似的天线具有大约2dBi的增益,并且呈现出相对圆形的辐射图案。

 

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在这两种情况下,导线从天线底部退出以连接到Wi-Fi无线电收发器。馈线是同轴电缆,带有内导体和外编织屏蔽; 透明的塑料盖包住馈线。这种特殊的馈线通常用于Wi-Fi设备,因为它体积小,射频损耗相对较低; 它被指定为RG-178。同轴馈线通常被称为“同轴电缆”。

 

同轴电缆的另一端连接路由器,如下图所示。请注意,屏蔽层牢固地焊接到PCB上的接地层,中心导体焊接到PCB轨道,导致金色金属盒内的收发器。插图显示了另一种焊接方式; 有时连接器焊接到PCB上,同轴电缆配有插接到位的配合连接器。

 

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接下来

 

此时,您应该了解适用于Wi-Fi的天线基础知识。本系列的后续文章将重点介绍用于Wi-Fi的非定向和定向天线。将讨论商用天线和自制天线,并将为您提供构建,扩展和改进Wi-Fi网络的指南。

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