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          網(wǎng)紅Wi-Fi天線(xiàn)的設計

          2023-03-27 來(lái)源:射頻問(wèn)問(wèn) 作者:江右射頻 字號:

          前言

          前一段時(shí)間來(lái)自俄羅斯的網(wǎng)紅Wi-Fi天線(xiàn)刷爆了天線(xiàn)圈,其秉承了簡(jiǎn)單粗暴的工業(yè)設計風(fēng)格,因制作簡(jiǎn)單、天線(xiàn)性能優(yōu)的特點(diǎn),受到了廣大愛(ài)好者的追捧。我們先來(lái)欣賞一下這個(gè)神器。

          ?圖 1 網(wǎng)紅Wi-Fi天線(xiàn)

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

          神器Wi-Fi天線(xiàn)的工作原理

          天線(xiàn)原型

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

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

          ?圖 2 八木天線(xiàn)

          八木天線(xiàn)是一種端射式天線(xiàn),在二十世紀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(xiàn),被稱(chēng)為“八木宇田天線(xiàn)”,簡(jiǎn)稱(chēng)“八木天線(xiàn)”,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,分別為導引振子、驅動(dòng)振子與反射器,所有的這些陣子都固定在傳輸線(xiàn)上,即中間的金屬桿上,見(jiàn)下圖。

          ?圖 3 實(shí)物圖

          它屬于方向性天線(xiàn),這里的驅動(dòng)振子與反射器各由一對振子組成,可以看作為偶極子天線(xiàn),反射器振子的長(cháng)度會(huì )略長(cháng)于驅動(dòng)振子。這類(lèi)天線(xiàn)的典型方向圖如下所示:

          ?圖 4 八木天線(xiàn)輻射特性

          八木天線(xiàn)的方向性可通過(guò)增加引導振子的數量得到增強。

          八木天線(xiàn)的各個(gè)陣子長(cháng)度的計算公式如下:

          (1)反射器長(cháng)度:L1=150/f

          (2)驅動(dòng)陣子長(cháng)度:L2=143/f

          (3)導引陣子1長(cháng)度:L3=138/f

          (4)導引陣子2長(cháng)度:L4=134/f

          (5)導引陣子3長(cháng)度:L5=130/f

          (6)集合線(xiàn)長(cháng)度:

          ?從公式可以得出如下結論:

          (1)天線(xiàn)的導引振子略短于二分之一波長(cháng);

          (2)驅動(dòng)振子等于二分之一波長(cháng);

          (3)反射器略長(cháng)于二分之一波長(cháng),兩振子間距四分之一波長(cháng)。

          工作原理

          對于接收Wi-Fi信號,天線(xiàn)的導引振子對感應信號呈“容性”,電流超前電壓90°;導引振子感應的電磁波會(huì )向驅動(dòng)振子輻射,輻射信號經(jīng)過(guò)四分之一波長(cháng)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(cháng)于二分之一波長(cháng),呈感性,電流滯后90°,再加上輻射到主振子過(guò)程中又滯后90°,兩者加起來(lái)剛好差180°,起到了抵消作用。一個(gè)方向加強,一個(gè)方向削弱,便有了強方向性。

          ?圖 5 八木天線(xiàn)工作原理

          Wi-Fi天線(xiàn)設計

          天線(xiàn)結構

          本章節我們在HFSS里面重構一下該Wi-Fi天線(xiàn),通過(guò)軟件仿真重現一下該天線(xiàn)的性能。

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

          ?圖 6 天線(xiàn)結構

          七個(gè)圓盤(pán)的尺寸從小到大分別如下:

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

          各個(gè)圓盤(pán)的間距分別如下:

          1號圓盤(pán)和2號圓盤(pán)間隔28~32mm,2號圓盤(pán)和3號圓盤(pán)間隔28~32mm,3號圓盤(pán)和4號圓盤(pán)間隔28~32mm,4號圓盤(pán)和5號圓盤(pán)間隔32mm,5號圓盤(pán)和6號圓盤(pán)間隔12mm,6號圓盤(pán)和7號圓盤(pán)間隔12mm。

          按照這里給定的尺寸,我們在HFSS中建立Wi-Fi天線(xiàn)模型,如下圖所示。

          圖 7 Wi-Fi天線(xiàn)模型

          工作原理

          結合第2章節的八目天線(xiàn)工作原理,該Wi-Fi天線(xiàn)的7個(gè)圓盤(pán)按照功能可劃分為三區域,分別是導引振子、驅動(dòng)振子和反射器。

          ?圖 8

          工作過(guò)程與上述八木天線(xiàn)一樣:天線(xiàn)的導引振子對感應信號呈“容性”,電流超前電壓90°;導引振子感應的電磁波會(huì )向驅動(dòng)振子輻射,輻射信號經(jīng)過(guò)四分之一波長(cháng)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。

          分析結果

          建立模型,設置好參數后進(jìn)行仿真,得到的結果如下,從圖中可看出其具有較強的方向性。

          ?圖 9 方向圖

          該天線(xiàn)的駐波比如下圖所示,可以看出與八木天線(xiàn)最大的區別是,該Wi-Fi天線(xiàn)不需要復雜的阻抗變換機構,便可以實(shí)現50Ω的饋電,為天線(xiàn)愛(ài)好者的動(dòng)手自制帶來(lái)很大的便利。

          ?圖 10 駐波比

          最后給出該Wi-Fi天線(xiàn)的輻射圖,最大輻射方向指向導引圓盤(pán),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(wèn)。

          圖 11 Wi-Fi天線(xiàn)的輻射圖

          ?圖 12 電壓動(dòng)態(tài)圖

          小結

          本期我們分析了俄羅斯的網(wǎng)紅Wi-Fi天線(xiàn),得知其實(shí)是八木天線(xiàn)的一種變種,工作原理與之相類(lèi)似,7個(gè)圓盤(pán)按照功能區可劃分為導引振子、驅動(dòng)振子和反射器三大區域。

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

          俄羅斯的網(wǎng)紅Wi-Fi天線(xiàn)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(diǎn)是,其制作什么方便,下期我們就地取材,使用易拉罐復刻一款俄羅斯的網(wǎng)紅Wi-Fi天線(xiàn)。

          作者:江右射頻

          主題閱讀:WiFi  天線(xiàn)
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