網(wǎng)紅Wi-Fi天線的設(shè)計

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前言

前一段時間來自俄羅斯的網(wǎng)紅Wi-Fi天線刷爆了天線圈，其秉承了簡單粗暴的工業(yè)設(shè)計風(fēng)格，因制作簡單、天線性能優(yōu)的特點，受到了廣大愛好者的追捧。我們先來欣賞一下這個神器。

俄羅斯的網(wǎng)紅Wi-Fi天線可接收3km外的信號，可以說真的是很給力，很好地解決了Wi-Fi遠程通信問題。

神器Wi-Fi天線的工作原理

天線原型

本章節(jié)我們探究一下俄羅斯的網(wǎng)紅Wi-Fi天線的工作原理，解開為什么能接收3km外信號的秘密，開始我們的分析。

俄羅斯網(wǎng)紅Wi-Fi天線的本質(zhì)是一種八木天線，什么是八木天線呢，如下圖所示：

圖 2 八木天線

八木天線是一種端射式天線，在二十世紀(jì)20年代，由日本東北大學(xué)的八木秀次和宇田太郞兩人發(fā)明了這種天線，被稱為“八木宇田天線”，簡稱“八木天線”，具有良好的方向性，較高的增益，適用于遠距離通信。

其振子主要由三種振子組成，分別為導(dǎo)引振子、驅(qū)動振子與反射器，所有的這些陣子都固定在傳輸線上，即中間的金屬桿上，見下圖。

它屬于方向性天線，這里的驅(qū)動振子與反射器各由一對振子組成，可以看作為偶極子天線，反射器振子的長度會略長于驅(qū)動振子。這類天線的典型方向圖如下所示：

圖 4 八木天線輻射特性

八木天線的方向性可通過增加引導(dǎo)振子的數(shù)量得到增強。

八木天線的各個陣子長度的計算公式如下：

（1）反射器長度：L1=150/f

（2）驅(qū)動陣子長度：L2=143/f

（3）導(dǎo)引陣子1長度：L3=138/f

（4）導(dǎo)引陣子2長度：L4=134/f

（5）導(dǎo)引陣子3長度：L5=130/f

（6）集合線長度：

從公式可以得出如下結(jié)論：

（1）天線的導(dǎo)引振子略短于二分之一波長；

（2）驅(qū)動振子等于二分之一波長；

（3）反射器略長于二分之一波長，兩振子間距四分之一波長。

工作原理

對于接收Wi-Fi信號，天線的導(dǎo)引振子對感應(yīng)信號呈“容性”，電流超前電壓90°；導(dǎo)引振子感應(yīng)的電磁波會向驅(qū)動振子輻射，輻射信號經(jīng)過四分之一波長的路程使其滯后90°恰好抵消了前面引起的“超前”，兩者相位相同，于是信號迭加，得到加強。反射器略長于二分之一波長，呈感性，電流滯后90°，再加上輻射到主振子過程中又滯后90°，兩者加起來剛好差180°，起到了抵消作用。一個方向加強，一個方向削弱，便有了強方向性。

圖 5 八木天線工作原理

Wi-Fi天線設(shè)計

天線結(jié)構(gòu)

本章節(jié)我們在HFSS里面重構(gòu)一下該Wi-Fi天線，通過軟件仿真重現(xiàn)一下該天線的性能。

俄羅斯的網(wǎng)紅Wi-Fi天線的尺寸如下圖所示，其主要由7個圓盤與一根金屬棒組成。

圖 6 天線結(jié)構(gòu)

七個圓盤的尺寸從小到大分別如下：

1號圓盤直徑37mm，2號圓盤直徑37mm，3號圓盤直徑37mm，4號圓盤直徑38mm，5號圓盤直徑54mm，6號圓盤直徑68mm，7號圓盤直徑90mm。

各個圓盤的間距分別如下：

1號圓盤和2號圓盤間隔28~32mm，2號圓盤和3號圓盤間隔28~32mm，3號圓盤和4號圓盤間隔28~32mm，4號圓盤和5號圓盤間隔32mm，5號圓盤和6號圓盤間隔12mm，6號圓盤和7號圓盤間隔12mm。

按照這里給定的尺寸，我們在HFSS中建立Wi-Fi天線模型，如下圖所示。

圖 7 Wi-Fi天線模型

工作原理

結(jié)合第2章節(jié)的八目天線工作原理，該Wi-Fi天線的7個圓盤按照功能可劃分為三區(qū)域，分別是導(dǎo)引振子、驅(qū)動振子和反射器。

圖 8

工作過程與上述八木天線一樣：天線的導(dǎo)引振子對感應(yīng)信號呈“容性”，電流超前電壓90°；導(dǎo)引振子感應(yīng)的電磁波會向驅(qū)動振子輻射，輻射信號經(jīng)過四分之一波長的路程使其滯后90°恰好抵消了前面引起的“超前”，兩者相位相同，于是信號迭加，得到加強。

分析結(jié)果

建立模型，設(shè)置好參數(shù)后進行仿真，得到的結(jié)果如下，從圖中可看出其具有較強的方向性。

圖 9 方向圖

該天線的駐波比如下圖所示，可以看出與八木天線最大的區(qū)別是，該Wi-Fi天線不需要復(fù)雜的阻抗變換機構(gòu)，便可以實現(xiàn)50Ω的饋電，為天線愛好者的動手自制帶來很大的便利。

圖 10 駐波比

最后給出該Wi-Fi天線的輻射圖，最大輻射方向指向?qū)б龍A盤，具有大于10dBi的增益，解釋了為什么能接收到3km以后信號的疑問。

圖 11 Wi-Fi天線的輻射圖

圖 12 電壓動態(tài)圖

小結(jié)

本期我們分析了俄羅斯的網(wǎng)紅Wi-Fi天線，得知其實是八木天線的一種變種，工作原理與之相類似，7個圓盤按照功能區(qū)可劃分為導(dǎo)引振子、驅(qū)動振子和反射器三大區(qū)域。

但該天線與八木天線也有不同之處，即其可以實現(xiàn)50Ω直接饋電，同時保證具有良好的駐波比。

俄羅斯的網(wǎng)紅Wi-Fi天線整體性能優(yōu)越，具有較高的增益與良好的駐波比，尤其重要的一點是，其制作什么方便，下期我們就地取材，使用易拉罐復(fù)刻一款俄羅斯的網(wǎng)紅Wi-Fi天線。

審核編輯：湯梓紅