liwen01 2024.10.01 前言 麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹通过实验证实了麦克斯韦的预言，马可尼基于无线电磁波的原理发明了无线电报系统，从此人类进入无线通信系统时代。 天线是通信系统中必不可少的组成部分，它的作用是将电信号转换为电磁波信号发射出去，也可以将接收到的电磁波信号转换为电信
liwen01 2024.10.01
麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹通过实验证实了麦克斯韦的预言，马可尼基于无线电磁波的原理发明了无线电报系统，从此人类进入无线通信系统时代。
天线是通信系统中必不可少的组成部分，它的作用是将电信号转换为电磁波信号发射出去，也可以将接收到的电磁波信号转换为电信号。
在 WiFi 应用中，WiFi 天线与 WiFi 性能关系密切，包括但不限于天线的方向、极化、增益、工作频率范围等参数。
要理解天线的工作原理，需要复习一下中学物理基础知识，这里只做概述，不做详细介绍。其中部分基础知识可以参考第一篇文章内容《 wifi基础(一)：无线电波与WIFI信号干扰、衰减 》
詹姆斯·克拉克·麦克斯韦 提出了将电、磁、光统归为电磁场现象的麦克斯韦方程组，实现了物理学自牛顿后的第二次统一。
麦克斯韦方程组的微分表达式为：
可以简单概述为：
高斯定律(电场) ：描述电场与电荷之间的关系，表明电荷是电场的源头，电场从正电荷发散，朝向负电荷收敛。
高斯定律(磁场) ：说明磁场没有单极子(即不存在 孤立的 磁极)，磁场线是闭合的，即磁场的通量通过任意闭合曲面为零，南北磁极总是成对存在。
法拉第定律 ：描述变化的磁场如何产生电场，变化的磁场会在周围空间产生旋转电场，这就是电磁感应现象。
安培-麦克斯韦定律 ：描述电流和变化的电场如何产生磁场。变化的电场会感应出磁场，电磁波的传播是依靠这种变化的电场和磁场相互生成。
麦克斯韦在1864年发表的论文《电磁场的动力学理论》中提出电场和磁场以波的形式以光速在空间中传播，并提出光是引起同种介质电场和磁场中许多现象的电磁扰动，同时在理论上预测了电磁波的存在。
1886 年海因里希·鲁道夫·赫兹用实验证实了电磁波的存在，并测出了电磁波传播的速度与光速相同，还进一步观察到电磁波具有聚焦、直进性、反射、折射和偏振等性质。
赫兹证明电磁波存在的试验，使用的装置是火花间隙发射器。
(1) 电路元件介绍 ：
B ：电池或电源，提供电路所需的电能。
SW ：开关，用来控制电路的通断，启动实验。
C ：电容器，用于存储电能
T ：变压器，使 S 两端产生高电压。
L : 变压器上的线圈，与电容一起形成 LC 谐振电路
I ：断续器(Interrupter)，周期性地断开和闭合电路，使电容器快速充放电，产生一连串的阻尼波。
S ：火花间隙，当电容器充满电后，电压升高到足够水平时，火花间隙处会产生火花放电，释放电容器C的能量。
M ：接收器中的火花间隙，当电磁波到达时，这里也会产生火花，证明电磁波的存在。
(2) 工作原理 ：
能量储存 ：
当开关 SW 闭合时，电源 B 给电容器 C1 充电，在充电过程中，电流是变化的，变化的电流通过线圈 L1,产生变化的磁场，变化的磁场在线圈 L2 中产生感应电动势，为两个电容 C 充电。
C1 电容器逐渐储存能量，直到电路中没有电流流动，或者是 S 产生电离火花。
火花产生
当电容器 C 的电压升高到足够高的水平时，在火花间隙 S 处因为高压会把空气电离，在电场的作用下产生火花放电，释放电容器 C 中储存的能量。
火花放电时，产生了一个快速的电流变化(电流脉冲)，激发线圈 L 中的电流，并在周围的空间中产生电磁波。
这里产生的放电火花，其原理与特斯拉线圈原理类似，都是通过高电压电离空气放电产生火花。
电磁波传播 ：
由于电流的快速变化，根据麦克斯韦方程，变化的电流会产生变化的磁场，而变化的磁场在线圈中会感应出电场，这种变化的电磁场会以电磁波的形式在空间中传播。
接收电磁波 ：
当电磁波到达收器的环形天线 M 时，它在导线环中激发出感应电动势，使得导线环两个小球之间也产生了火花，说明这个导线环接收到了电磁波。
火花隙发射器的一个基本限制是它们产生的是瞬态脉冲，称为阻尼波，无法产生用于在现代无线电传输中的连续波 (比如广播，无线电话信号等)。
偶极子天线(Dipole Antenna)是最简单、最基础的天线类型之一，也是现代无线通信系统中应用最广泛的天线之一,它由两个相同长度的导体构成。
电磁波可以想象为电场和磁场的自传播横向振荡波
通常，天线的主要辐射方向与天线轴垂直，呈现出一种圆环形辐射模式。
偶极子天线中产生电磁波的这两根导线叫 振子 。一般情况下，振子的大小在半个波长的时候效果最好，所以也经常被称作 半波振子 。
有了振子，就可以发送连续的电磁波了。
天线的方向性是指天线向一定方向辐射电磁波的能力。对于接收天线而言，方向性表示天线对不同方向传来的电磁波所具有的接收能力。
天线对空间不同方向具有不同的辐射或接收能力，这就是天线的方向性。
按天线的方向性可以将天线可以分为全向天线和定向天线两大类。
半波对称振子天线的辐射方向
水平面(H面)
垂直面(E面)
使用抛物反射面，把功率反射到单侧方向，能量集中到一个小立体角内，反射从而获得很高的增益。
天线的极化(Antenna Polarization)指的是天线辐射或接收电磁波的 电场 矢量的方向。
由于电场与磁场有恒定的关系，故一般都以 电场矢量 的方向作为天线辐射电磁波的极化方向，并且是以天线最大辐射方向上的电场矢量方向为天线的极化方向。
天线极化主要有：线性极化、圆形极化和椭圆极化三大类：
线极化是指电磁波的电场矢量沿一条直线振动，根据方向可以进一步分为：
线极化特点
圆极化是指电场矢量随着时间呈螺旋形旋转，电场的方向不断变化，形成圆形振动轨迹。圆极化分为两种类型：
右旋圆极化(Right-Hand Circular Polarization, RHCP) ：电场矢量以顺时针方向旋转。
左旋圆极化(Left-Hand Circular Polarization, LHCP) ：电场矢量以逆时针方向旋转。
椭圆极化是介于线极化和圆极化之间的一种极化类型。电场矢量以椭圆的轨迹旋转，极化不完全是线性或圆形。这种极化通常出现在天线设计中的一些特殊应用中
双极化天线通过两个独立的辐射单元来传输和接收信号，每个单元具有不同的极化方向.
这两个极化方向彼此正交，因此可以在同一频率下发送和接收两组不同的信号，极大地提高了数据传输的效率。
这种正交极化的方式能够在不干扰对方的情况下实现双流信号传输
下图是某款AP的内置天线
双极化天线的主要优势
提高频谱效率 ：双极化天线可以在同一个频率上同时传输两个独立的信号流，从而实现双倍的数据传输速率。这对于提高频谱利用率尤其重要，特别是在蜂窝通信和无线局域 WiFi 网中。
增强信号质量(MIMO 技术支持) ：双极化天线可以支持MIMO(多输入多输出)技术，通过使用多个天线单元和极化方向，能够更好地应对信号的反射、衰减和多径效应，从而提升无线信号的覆盖范围和稳定性。
降低相互干扰(Cross-Polarization Isolation) ：双极化天线能够减少相互干扰，因为它的两个极化方向是正交的(90度相位差)。这种隔离减少了相邻频率段的干扰，尤其是在高密度的无线电环境中。
提升抗干扰能力 ：通过同时使用两个正交极化信号，双极化天线能够更好地应对环境中的干扰，特别是在复杂的多径传播环境中。极化不同的信号路径会有不同的干扰行为，因此可以有效分离信号和噪声。
增强空间多路复用(Spatial Multiplexing) ：在MIMO系统中，双极化天线通过同时使用两个正交极化方向，可以实现空间多路复用，从而进一步增加数据传输速率。这在现代的无线通信系统中极为重要。
天线之间的极化匹配对于信号传输的效率至关重要。如果发射天线和接收天线的极化不匹配(例如一个天线是垂直极化而另一个是水平极化)，会导致显著的信号损耗，这种现象被称为极化损耗。在极端情况下，极化不匹配的天线可能会完全无法接收信号。
同极化通信 ：发射天线和接收天线的极化相同，通信效率高，信号损耗小。
交叉极化损耗 ：发射和接收天线的极化不一致时，接收信号会显著减弱，损耗增加s
天线通常是无源器件，它并不放大电磁信号。
天线增益并不表示天线实际 放大 了信号，而是表示天线能够将输入的功率在某个方向上更集中地辐射。更高的增益意味着天线在某个方向上辐射或接收的功率更强，但在其他方向上相应的功率较弱。因此，天线增益越高，天线的方向性越强。
天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，是选择天线最重要的参数之一，与具体的天线型号相关。
天线的增益单位有两个 dBi 和 dBd
(a)dBi(相对于各向同性天线的增益)
(b) dBd (相对于偶极子天线的增益)
由于半波偶极子天线的增益为 2.15 dBi，因此 dBi 和 dBd 之间的关系是：
dBi=dBd+2.15
在多数 WiFi 设备中，天线增益通常以 dBi 标注，表明其相对于各向同性天线的辐射性能。常见的家用WiFi路由器天线增益在 2 dBi到 5 dBi之间。
天线的波瓣宽度一般指主瓣的半功率波瓣宽度(Half-Power Beamwidth，HPBW)。它表示主瓣内两个方向上信号强度下降到最大强度一半(-3 dB)时所形成的角度差，通常用角度度数(°)来表示。
波瓣(Lobe) ：天线辐射方向图的每个凸起部分称为波瓣。主波瓣是辐射最强的波瓣，侧波瓣和背波瓣是相对较弱的波瓣。
半功率点(Half-Power Point) ：波瓣宽度定义为天线主瓣功率达到其最大功率的50%处的角度范围，即从最大辐射方向减弱3 dB的功率点。
波瓣宽度(Beamwidth) ：波瓣宽度表示主波瓣从左侧半功率点到右侧半功率点之间的角度。这一角度通常定义为 -3 dB波瓣宽度
宽波瓣 ：全向天线通常具有较宽的波瓣宽度，辐射或接收的方向性较弱，适合覆盖较大的区域，例如家庭WiFi路由器的全向天线。
窄波瓣 ：定向天线具有较窄的波瓣宽度，适合长距离和高精度的通信场景，例如微波通信、卫星通信和无线电传输等。
天线的波瓣宽度与增益之间存在反比关系。通常情况下，天线的波瓣宽度越窄，天线的增益越高。这是因为窄波瓣天线能将更多的能量集中在较小的角度范围内，从而提高在该方向上的信号强度
天线的波瓣宽度通常通过测量天线的 辐射方向图(Radiation Pattern)得到。辐射方向图是一个三维图像，展示天线在不同方向上辐射功率的分布情况。
通过在不同方向上测量功率密度，找到主波瓣的半功率点，计算两个半功率点之间的角度差，即波瓣宽度
天线是 WiFi 设备的一个重要组成部分，电波传播与天线也是一门独立的学科，涉及到的知识非常多。我并非通信专业人员、对天线知识仅知皮毛。
为了写这个 WiFi 系列介绍，其实很多知识点我也是现学的，虽然已尽全力，但错误之处在所难免。若蒙读者诸君不吝告知，将不胜感激。
下篇将补上 WiFi 组网相关的基础知识介绍。
