本次推文简单介绍下WIFI路由器的套杆天线。
路由器天线
路由器在这个万物互联的时代,想必大家对其都不陌生。随着科技的发展,常用的路由器上的天线也越来越多,那么问题来了:天线越多,信号越好吗?路由器天线长啥样呢?
对于第一个问题:增加天线个数在一定程度上确实可以提升增益,从而弥补远距离下信号差所引起的低吞吐率,但是机身就这么大,在固定的口径面积下,即使口径利用率拉满,阵列的总增益也有上限。若采用多天线分集技术,将不同天线的多路信号进行加权合成处理,能改善信噪比,为系统提供了额外的信道增益。从一定程度上来说,增加天线的数量可以提高覆盖范围、信号强度、穿墙能力等。不过话说回来,盲目增加天线个数,可能加大天线之间的耦合度,适得其反。
对于第二个问题:常用的路由器天线可以简单分为两种:
用于远距离传输或需要覆盖特定方向场景的CPE高增益定向天线。它可以将信号集中在特定方向上,从而增加信号的覆盖范围和强度。
可以向各个方向均匀地辐射和接收信号的全向天线。它能够在水平方向上提供360度的覆盖,适用于需要在多个方向上提供覆盖的场景,如家庭、办公室等小型环境,多个设备可以在不同位置都能接收到较为稳定的信号,无需精确对准天线方向,使用起来更加方便。
今天,我们主要介绍下无线路由器中的水平全向高增益的套杆天线。
富兰克林天线
若要在水平面内实现信号的均匀覆盖效果,便需要采用全向天线。常见的全向天线就是偶极子天线了。但是在实际使用中,我们发现单个dipole的增益不高,这也导致通讯设备与路由器间隔稍远一点就接收不到信号了,而且穿墙效果也差。但是,我们也可以采用纵向组阵的方式来提高水平面的增益。
为了节省设计空间、简化馈电网络,实际设计中一般采用串联馈电的方式实现同相馈电。这种天线类型最早可以追溯到由发明家英国工程师查尔斯·塞缪尔·富兰克林 (Charles Samuel Franklin)于1924年申请的专利——Improvements in Wireless Telegraph Transmitters(专利号:UK242342)。
如上图所示,当偶极子的尺寸增大时,天线臂上会形成交替变化的电流,从而导致非水平方向较大的能量泄露。专利的核心概念就是:将反相部分弯折起来,保证天线臂上只有同相电流分布。弯折结构可以由电感线圈或者是小间隙的蛇形走线来实现。将具有反相电流的线段进行折叠,分别折叠成四分之一波长的两条对称线段。流经这两段对称线段的电流大小相同且方向相反,相互抵消。因此,这些折叠后的线段电磁辐射较小。而那些未被折叠的线段,电流同相,构成了垂直于地面且沿轴线排列成一条直线的“天线阵”,此即为富兰克林天线。
现在市面大部分路由器兼顾WIFI 2.4G/5G双频,那么天线部分是怎么实现的呢?很简单:做一个双频dipole天线,每个双频天线由正面和背面的辐射臂构成,中间部分加上弯折。不过这样难免会造成某一频段的主辐射波束上翘或者下倾的现象。这里友情鞭尸一下:这种套杆天线的最大辐射方向垂直于直立臂哦,不是指哪辐射到哪!
参考油管视频:
https://www.youtube.com/watch?app=desktop&v=JI-RWmp6t60
MATLAB天线工具箱仿真
打开MATLAB APP界面的Antenna Designer,新建一个不带地板的Meander。输入设计频率2.45GHz后自动生成一个中心馈电的天线模型。只不过这个参数只是将一个半波偶极子通过弯折来缩减尺寸。我们可以通过修改Width(线宽),ArmLength(输入一个向量,其中储存每节辐射臂对应的长度。由于对称性,只需要输入一半数据即可),NotchLength(弯折部分的水平长度),NotchWidth(弯折部分的垂直长度)。
计算出2.45GHz频率下半波长对应的长度,将天线的对应属性参数修改下,即可得出初始仿真结果:
3单元富兰克林天线水平面最大增益6.75dBi。粗略评估的理论值可以达到:
2.15+10*log10(3)=6.92dBi
接下来我们采用工具栏目的Optimize进行简单优化。
优化后的3元富兰克林串馈天线阵的水平面增益达到了7.46dBi。
闫鑫1,2,李颢毅1,2,张浩1,2,季来运1
(1.天津海芯电子有限公司,天津300380;2.天津师范大学物理与材料科学学院,天津 300387.)
摘要:基于新型双模双复合左右手谐振器结构(D-CRLH),设计了一款四阶双通带高温超导滤波器,该滤波器由均匀二分之一波长螺旋耦合微带线组成。该滤波器实现了两个通带的中心频率和耦合系数独立可控,增加了滤波器设计的自由度。整个滤波器的物理电路在0.5mm厚的MgO(氧化镁)衬底上的DyBa2Cu3O7(镝钡铜氧)超导薄膜上设计。结果表明,该滤波器具有良好的带内特性,中心频率分别为1221MHz和1588MHz,通带相对带宽分别为1.06%和2.64%。
作者:微波天线工程师