网红Wi-Fi天线的设计

使用Python+射频搭建一个射频开发架构，将不同的软件连接起来提供一站式服务，提供接口让设计师更专注于业务开发，不再疲惫于学习软件使用操作，让人工智能与射频来一次邂逅，将碰撞出怎样的火花呢，拭目以待吧。

前言

前一段时间来自俄罗斯的网红Wi-Fi天线刷爆了天线圈，其秉承了简单粗暴的工业设计风格，因制作简单、天线性能优的特点，受到了广大爱好者的追捧。我们先来欣赏一下这个神器。

俄罗斯的网红Wi-Fi天线可接收3km外的信号，可以说真的是很给力，很好地解决了Wi-Fi远程通信问题。

神器Wi-Fi天线的工作原理

天线原型

本章节我们探究一下俄罗斯的网红Wi-Fi天线的工作原理，解开为什么能接收3km外信号的秘密，开始我们的分析。

俄罗斯网红Wi-Fi天线的本质是一种八木天线，什么是八木天线呢，如下图所示：

图 2 八木天线

八木天线是一种端射式天线，在二十世纪20年代，由日本东北大学的八木秀次和宇田太郞两人发明了这种天线，被称为“八木宇田天线”，简称“八木天线”，具有良好的方向性，较高的增益，适用于远距离通信。

其振子主要由三种振子组成，分别为导引振子、驱动振子与反射器，所有的这些阵子都固定在传输线上，即中间的金属杆上，见下图。

它属于方向性天线，这里的驱动振子与反射器各由一对振子组成，可以看作为偶极子天线，反射器振子的长度会略长于驱动振子。这类天线的典型方向图如下所示：

图 4 八木天线辐射特性

八木天线的方向性可通过增加引导振子的数量得到增强。

八木天线的各个阵子长度的计算公式如下：

（1）反射器长度：L1=150/f

（2）驱动阵子长度：L2=143/f

（3）导引阵子1长度：L3=138/f

（4）导引阵子2长度：L4=134/f

（5）导引阵子3长度：L5=130/f

（6）集合线长度：

从公式可以得出如下结论：

（1）天线的导引振子略短于二分之一波长；

（2）驱动振子等于二分之一波长；

（3）反射器略长于二分之一波长，两振子间距四分之一波长。

工作原理

对于接收Wi-Fi信号，天线的导引振子对感应信号呈“容性”，电流超前电压90°；导引振子感应的电磁波会向驱动振子辐射，辐射信号经过四分之一波长的路程使其滞后90°恰好抵消了前面引起的“超前”，两者相位相同，于是信号迭加，得到加强。反射器略长于二分之一波长，呈感性，电流滞后90°，再加上辐射到主振子过程中又滞后90°，两者加起来刚好差180°，起到了抵消作用。一个方向加强，一个方向削弱，便有了强方向性。

图 5 八木天线工作原理

Wi-Fi天线设计

天线结构

本章节我们在HFSS里面重构一下该Wi-Fi天线，通过软件仿真重现一下该天线的性能。

俄罗斯的网红Wi-Fi天线的尺寸如下图所示，其主要由7个圆盘与一根金属棒组成。

图 6 天线结构

七个圆盘的尺寸从小到大分别如下：

1号圆盘直径37mm，2号圆盘直径37mm，3号圆盘直径37mm，4号圆盘直径38mm，5号圆盘直径54mm，6号圆盘直径68mm，7号圆盘直径90mm。

各个圆盘的间距分别如下：

1号圆盘和2号圆盘间隔28~32mm，2号圆盘和3号圆盘间隔28~32mm，3号圆盘和4号圆盘间隔28~32mm，4号圆盘和5号圆盘间隔32mm，5号圆盘和6号圆盘间隔12mm，6号圆盘和7号圆盘间隔12mm。

按照这里给定的尺寸，我们在HFSS中建立Wi-Fi天线模型，如下图所示。

图 7 Wi-Fi天线模型

工作原理

结合第2章节的八目天线工作原理，该Wi-Fi天线的7个圆盘按照功能可划分为三区域，分别是导引振子、驱动振子和反射器。

图 8

工作过程与上述八木天线一样：天线的导引振子对感应信号呈“容性”，电流超前电压90°；导引振子感应的电磁波会向驱动振子辐射，辐射信号经过四分之一波长的路程使其滞后90°恰好抵消了前面引起的“超前”，两者相位相同，于是信号迭加，得到加强。

分析结果

建立模型，设置好参数后进行仿真，得到的结果如下，从图中可看出其具有较强的方向性。

图 9 方向图

该天线的驻波比如下图所示，可以看出与八木天线最大的区别是，该Wi-Fi天线不需要复杂的阻抗变换机构，便可以实现50Ω的馈电，为天线爱好者的动手自制带来很大的便利。

图 10 驻波比

最后给出该Wi-Fi天线的辐射图，最大辐射方向指向导引圆盘，具有大于10dBi的增益，解释了为什么能接收到3km以后信号的疑问。

图 11 Wi-Fi天线的辐射图

图 12 电压动态图

小结

本期我们分析了俄罗斯的网红Wi-Fi天线，得知其实是八木天线的一种变种，工作原理与之相类似，7个圆盘按照功能区可划分为导引振子、驱动振子和反射器三大区域。

但该天线与八木天线也有不同之处，即其可以实现50Ω直接馈电，同时保证具有良好的驻波比。

俄罗斯的网红Wi-Fi天线整体性能优越，具有较高的增益与良好的驻波比，尤其重要的一点是，其制作什么方便，下期我们就地取材，使用易拉罐复刻一款俄罗斯的网红Wi-Fi天线。

审核编辑：汤梓红