WIFI天线设计论文

WIFI天线设计论文 无线通信(论文) 题 目 WIFI天线设计 摘 要 在无线网络迅速发展的今天，天线的地位及其应用被人们日益重视。本文系统的介绍WIFI天线制作，理论依据，及其制作过程中的技术要求。 本文具体内容包涵WIFI知识， WIFI是种短程无线传输技术。具体理论分析计算制作WIFI天线形状、尺寸大小及其选用材料，具体制作WIFI天线的过程。及其测试WIFI天线性能，对比系统自带天线。包涵制作及其制作技巧，此天线原理简单，制作成功率高，是各位无线网络DIY爱好者初级制作首选。 关键词:WIFI天线;无线网络;WIFI天线制作 I ABSTRACT In today's rapid development of wireless networks, antenna and its applications is increasing attention on the status of. Method for making this system to introduce WIFI antenna, theoretical analysis based on, and in the process of making technology requirements. Knowledge of specific content in this article include WIFI, WIFI is kind of short range wireless transmission technology. Analysis and calculation of specific theories make WIFI antenna selection of shapes, sizes and materials, the concrete process of making WIFI antenna. And testing WIFI antenna performance, contrast with antenna system. Excuse making experience and production skills, this antenna simple in principle, make a highly successful, are you DIY enthusiasts primary production preferred wireless network. Key words:WIFI antenna; wireless signal; WIFI antenna manufacture II 目 录 摘 要 ........................................................................................................................... I ABSTRACT ................................................................................................................. II 目 录 ........................................................................................................................ III 第1章 引言 .............................................................................................................. 1 第2章 概述 ................................................................................................................ 2 2.1 WIFI相关简述 ........................................................................................... 2 2.2 WIFI组建方法 ........................................................................................... 4 2.3 WIFI目前的应用 ....................................................................................... 5 2.4 WIFI天线制作与测试材料及工具 ............................................................ 6 2.5 本设计方案思路 .......................................................................................... 6 2.6 主要技术指标............................................................................................ 7 第3章 理论分析 ....................................................................................................... 9 3.1 分析天线形状............................................................................................. 9 3.2 天线尺寸设计........................................................................................... 10 3.3 罐头盒大小设计 ................................................................................................ 11 3.4 导波线路分析.................................................................................................... 13 第4章制作与调试 ................................................................................................... 15 4.1 整体实物制作........................................................................................... 15 4.2 WIFI天线调试 ......................................................................................... 21 第5章 性能测试与对比 .......................................................................................... 22 5.1 系统自带天线与WIFI天线性能对比 ..................................................... 22 第6章制作心得 ........................................................................................................ 26 第7章 结论 .............................................................................................................. 27 III 第1章 引言 WIFI全称Wireless Fidelity，又称802.11b标准，是IEEE定义的一个无线网络通信的工业标准(IEEE802.11)。802.11b定义了使用直接序列扩频调制技术在2.4GHz频带实现11Mbit/s速率的无线传输，在信号较弱或有干扰的情况下，宽带可调整为5.5Mbps、2Mbps和1Mbps。随着网络和通信技术的飞速发展，用户对无线通信的需求日渐突出，也出现了许多的无线通信。WIFI以其独特的优势越来越受到业界的关注，并显示出极大的应用前景。 WIFI是由AP(Access Point，无线访问节点)和无线网卡组成的无线网络，AP是当作传统的有线局域网络与无线局域网络之间的桥梁，其工作原理相当于一个内置无线发射器的HUB或者是路由;无线网卡则是负责接收由AP所发射信号的CLIENT端设备。因此一个装有无线网卡的PC均可透过AP分享有线局域网络甚至广域网络的资源。 近年来，无线通信发展迅速，作为系统发射和接收电磁波的重要前段器件——天线，其性能对整个系统的通信质量至关重要。天线的小型化、多频带和多天线等技术成为研究的热点;与此同时，准确测了小天线也面临着很大的困难。 在国内，无线AP的数量呈迅猛的增长，无线网络的方便与高效使其能够得到迅速的普及。除了在目前的一些公共地方有AP之外，国外已经有先例以无线标准来建设城域网，因此，WIFI的无线地位将会日益牢固。 WIFI天线在未来需求量巨大，便宜高质量WIFI天线将会是无线网络用户喜爱的产品。制作简单，成功率高，性能优越的WIFI天线也将会受到无线网络用户的青睐。而且现在就有单独贩卖的WIFI天线，如果我们自己就可以利用身边的材料做出一个跟市场上性能不相上下或者性能更在市场天线之上的WIFI天线，简简单单，那有多好。自己制作的东西，有实用价值，还可以废物利用，真是一举两得。 1 第2章 概述 2.1 WIFI相关简述 图2.1.1(WIFI标志图) 所谓 WIFI，其实就是 IEEE 802.11b 的别称，是由一个名为“无线以太网相容联盟”(Wireless Ethernet Compatibility Alliance, WECA)的组织所发布的业界术语，中文译为“无线相容认证”。它的标志图如图2.1.1所示。它是一种短程无线传输技术，能够在数百米范围内支持互联网接入的无线电信号。随着技术的发展，以及IEEE 802.11a 及IEEE 802.11g等标准的出现，现在IEEE 802.11 这个标准已被统称作WIFI。从应用层面来说，要使用WIFI，用户首先要有WIFI兼容的用户端装置。 WIFI是一种帮助用户访问电子邮件、Web和流式媒体的赋能技术。它为用户提供了无线的宽带互联网访问。同时，它也是在家里、办公室或在旅途中上网的快速、便捷的途径。能够访问WIFI网络的地方被称为热点。WIFI或802.11b在2.4Ghz频段工作，所支持的速度最高达11Mbps。另外还有两种802.11空间的协议，包括(a)和(g)。它们也是公开使用的，但802.11b在世界上最为常用。 WIFI 热点是通过在互联网连接上安装访问点来创建的。这个访问点将无线信号通过短程进行传输 - 一般覆盖300英尺。当一台支持 WIFI 的设备(例如Pocket PC)遇到一个热点时，这个设备可以用无线方式连接到那个网络。大部分热点都位于供大众访问的地方，例如机场、咖啡店、旅馆、书店以及校园等等。许多家庭和办公室也拥有 WIFI 网络。虽然有些热点是免费的，但是大部分稳定的公共 WIFI 网络是由私人互联网服务提供商(ISP)提供的，因此会在用户连接到互联网时收取一定费用。 全称Wireless Fidelity。802.11b有时也被错误地标为WIFI，实际上WIFI是无线局域网联盟(WLANA)的一个商标，该商标仅保障使用该商标的商品互相之间可以合作，与标准本身实际上没有关系。但是后来人们逐渐习惯用WIFI来称呼802.11b协议。它的最大优点就是传输速度较高，可以达到11Mbps，另外它的有效距离也很长，同时也与已有的各种802.11 DSSS设备兼容。笔记本电脑技术——迅驰技术就是基于该标准的。 IEEE(,美国,电子和电气工程师协会)802.11b无线网络是IEEE 802.11 2 网络规范的扩展，最高带宽为11 Mbps，在信号较弱或有干扰的情况下，带宽可调整为5.5Mbps、2Mbps和1Mbps，带宽的自动调整，有效地保障了网络的稳定性和可靠性。其主要特性为:速度快，可靠性高，在开放性区域，通讯距离可达305米，在封闭性区域，通讯距离为76米到122米，方便与现有的有线以太网络整合，组网的成本更低。 WIFI(Wireless Fidelity，无线相容性认证)的正式名称是“IEEE802.11b”，与蓝牙技术一样，同属于在办公室和家庭中使用的短距离无线技术。虽然在数据安全性方面，该技术比蓝牙技术要差一些，但是在电波的覆盖范围方面则要略胜一筹。Wife的覆盖范围则可达300英尺左右(约合90米)，办公室自不用说，就是在小一点的整栋大楼中也可使用。因此，WIFI一直是企业实现自己无线局域网所青睐的技术。还有一个原因，就是与代价昂贵的3G企业网络相比，WIFI似乎更胜一筹。关于WIFI 的热点都诞生在2002年，在美国，WIFI就像早期的因特网一样，呈现出星火燎原之势。在2003年它注定要在世界范围内有着美好的前景。 正确读音[wai] [fai] WIFI突出优势 其一，无线电波的覆盖范围广，基于蓝牙技术的电波覆盖范围非常小，半径大约只有50英尺左右约合15米，而WIFI的半径则可达300英尺左右约合100米，办公室自不用说，就是在整栋大楼中也可使用。 其二，虽然由WIFI技术传输的无线通信质量不是很好，数据安全性能比蓝牙技术差一些，传输质量也有待改进，但传输速度非常快，可以达到54mbps，符合个人和社会信息化的需求。 其三，厂商进入该领域的门槛比较低。厂商只要在机场、车站、咖啡店、图书馆等人员较密集的地方设置“热点”，并通过高速线路将因特网接入上述场所。这样，由于“热点”所发射出的电波可以达到距接入点半径数十米至100米的地方，用户只要将支持无线LAN的笔记本电脑或PDA拿到该区域内，即可高速接入因特网。也就是说，厂商不用耗费资金来进行网络布线接入，从而节省了大量的成本。 根据无线网卡使用的标准不同，WIFI的速度也有所不同。其中IEEE802.11b最高为11Mbps(部分厂商在设备配套的情况下可以达到22Mbps)，IEEE802.11a为54Mbps、IEEE802.11g也是54Mbps。 WIFI是由AP(Access Point)和无线网卡组成的无线网络。AP一般称为网络桥接器或接入点，它是当作传统的有线局域网络与无线局域网络之间的桥梁，因此任何一台装有无线网卡的PC均可透过AP去分享有线局域网络甚至广域网络的资源，其工作原理相当于一个内置无线发射器的HUB或者是路由， 而无线网卡则是负责接收由AP所发射信号的CLIENT端设备。 而wireless b/g表示网卡的型号，按照其速度与技术的新旧可分为802.11a、 3 802.11b、802.11g。 讲起无线网，大家都有一种似是而非的感觉，无线是否简单地两台计算机互联,No～这已经是上个世纪的无线概念，新一代的无线网络，将以无须布线和使用相对自由，建立起人们对无线局域网的全新感受。需求决定了市场的发展，很少见到哪种IT技术或是产品能够像它这样有如此迅猛的增长势头，不受任何约束随时随地访问互联网不再是梦想，其中，WIFI发挥了至关重要的作用。WIFI代表了“无线保真”，指具有完全兼容性的802.11标准IEEE802.11b子集，它使用开放的2.4GHz直接序列扩频，最大数据传输速率为11Mbps，也可根据信号强弱把传输率调整为5.5Mbps、2Mbps和1Mbps带宽。无需直线传播传输范围为室外最大300米，室内有障碍的情况下最大100米，是现在使用的最多的传输协议。它与有线网络相较之下，有许多优点: 它与有线网络相较之下，有许多优点: 无须布线 WIFI最主要的优势在于不需要布线，可以不受布线条件的限制，因此非常适合移动办公用户的需要，具有广阔市场前景。目前它已经从传统的医疗保健、库存控制和管理服务等特殊行业向更多行业拓展开去，甚至开始进入家庭以及教育机构等领域。 健康安全 IEEE802.11规定的发射功率不可超过100毫瓦，实际发射功率约60~70毫瓦，这是一个什么样的概念呢,手机的发射功率约200毫瓦至1瓦间，手持式对讲机高达5瓦，而且无线网络使用方式并非像手机直接接触人体，是绝对安全的。 2.2 WIFI组建方法 一般架设无线网络的基本配备就是无线网卡及一台AP，如此便能以无线的模式，配合既有的有线架构分享网络资源，架设费用和复杂程度远远低于传统的有线网络。如果只是几台电脑的对等网，也可不要AP，只需要每台电脑配备无线网卡。AP为Access Point简称，一般翻译为“无线访问节点”，或“桥接器”。它主要在媒体存取控制层MAC中扮演无线工作站及有线局域网络的桥梁。有了AP，就像一般有线网络的Hub一般，无线工作站可以快速且轻易地与网络相连。特别是对于宽带的使用，WIFI更显优势，有线宽带网络(ADSL、小区LAN等)到户后，连接到一个AP，然后在电脑中安装一块无线网卡即可。普通的家庭有一个AP已经足够，甚至用户的邻里得到授权后，则无需增加端口，也能以共享的方式上网。 长距离工作，别看无线WIFI的工作距离不大，在网络建设完备的情况下，802.11b的真实工作距离可以达到100米以上，而且解决了高速移动时数据的纠错问题、误码问题，WIFI设备与设备、设备与基站之间的切换和安全认证都得到了很好的解决。 4 但随着无线产业从802.11g到下一代802.11n标准的演变，越来越多的产品开始采用功能强大的802.11n技术，因为它能提供更快更可靠的无线连接。802.11n平台的速度比802.11g快7倍，比以太网快3倍。另外，它具有更大的覆盖范围，可以在整个家庭内提供健壮的连接，即使是各个角落也游刃有余。由于它具有很大的带宽，因此802.11n是首个能够同时承载高清视频、音频和数据流的无线多媒体分发技术。而且802.11n产品还提供并发双频操作，因此能为宽带多媒体应用提供更多的信道容量。 如今许多消费者拥有数字电影、电视片、音乐和照片库，他们非常希望能够从家庭中的任何地方通过无线设备访问这些媒体内容。802.11n不仅支持多个并发用户和设备，而且它的超强功能可保证服务质量，确保家庭中所有设备提供更佳用户体验，同时提供智能的内容管理和发布。 802.11n标准的版本还是草案2.0版，正式版的批准有望在2009完成。802.11n规范的草案2.0版已经非常完善，今后对草案应该不会有大的修改。对支持802.11n较早草案的802.11n设备而言，这些设备可以通过固件实现升级。为了促进802.11n的普及，WIFI认证非常关键。 因此，市场向802.11n转变的趋势越来越明显，并且更具性价比。802.11n生态系统也在迅速发展，有越来越多的制造商在HDTV、机顶盒和媒体适配器中增加802.11n技术。该趋势将推动整个家庭的视频发布无线覆盖成为新的杀手应用。据ABI Research公司预测，2008年802.11n产品将占全部WIFI交货量的近一半。 2.3 WIFI目前的应用 由于WIFI的频段在世界范围内是无需任何电信运营执照的免费频段，因此WLAN无线设备提供了一个世界范围内可以使用的，费用极其低廉且数据带宽极高的无线空中接口。用户可以在WIFI覆盖区域内快速浏览网页，随时随地接听拨打电话。而其它一些基于WLAN的宽带数据应用，如流媒体、网络游戏等功能更是值得用户期待。有了WIFI功能我们打长途电话(包括国际长途)，浏览网页、收发电子邮件、音乐下载、数码照片传递等，再无需担心速度慢和花费高的问题。 WIFI在掌上设备上应用越来越广泛，而智能手机就是其中一份子。与早前应用于手机上的蓝牙技术不同，WIFI具有更大的覆盖范围和更高的传输速率，因此WIFI手机成为了目前移动通信业界的时尚潮流。 现在WIFI的覆盖范围在国内越来越广泛了，高级宾馆，豪华住宅区，飞机场以及咖啡厅之类的区域都有WIFI接口。当我们去旅游，办公时，就可以在这些场所使用我们的掌上设备尽情网上冲浪了。 WLAN是Wireless Local Area Network(无线局域网)的缩写，它是一种基于802.11n/b/g/a标准，利用WIFI无线通信技术将PC等设备连接起来，构成可以互 5 相通信、实现资源共享的网络。 近两年，市场上支持UMA(Unlicensed Mo-bile Access非授权移动接入)等技术，具备WLAN连接功能的智能手机越来越多。它们除了可以借助GSM/CDMA移动通信网络通话外，还能在WIFI无线局域网覆盖的区域内，共享PC上网或Void通话。下面，我们就以采用Windows Mobile操作系统的WIFI手机为例，为大家介绍手机如何通过WLAN上网。 拥有WIFI功能的手机一览:诺基亚N80、索爱W960、三星SGH-T709、摩托罗拉A910等。 为了能用手机躺在床上上网，开通GPRS。无奈GPRS上网不但速度难以让人满意，资费也不便宜。总不能为了懒而去买台笔记本电脑吧,当然不用。其实，只需一台无线路由器，我们就能让手机和PC共享宽带上网。 目前通过无线路由器或无线AP上网，已经成为很多上网用户的选择。通过无线路由器、LAN或WLAN，PC可以轻松的利用ADSL、Cable、FTTX等宽带接入Internet。 WIFI手机通过无线路由器共享上网也非常方便，多数WIFI手机不需要做任何设置，在无线路由器的信号覆盖范围内，WIFI手机和无线路由器的默认设置下，WIFI手机就能自动获取IP地址进行无线连接，并利用手机自带的IE、MSN等软件无线上网。当然，如果在WIFI手机和无线路由器都正常开启的情况下，WIFI手机无法通过无线路由器共享上网，我们就需要检查一下设备的设置。 2.4 WIFI天线制作与测试材料及工具 本毕业设计作品尽量使用日常生活用品，让制作材料较易收集。制作工具较易找到，不使用工厂专用工具。方便其无线网络发烧友自己动手做实物。 天线设计主要有以下3个部分:环境(罐头盒)，天线(金属片)，导波线(50欧姆馈线)。主要用材有:100mm*123mm桶装罐头盒，10mm*30mm金属片，SMA公母头两个，400mm50欧姆馈线一根等。需要工具:剪刀，转头，铁锤，精确到毫米的刻度尺，记号笔，电烙铁，焊锡丝及焊接物品。主要测试工具:外接无线网卡一张，可以正常使用的笔记本一台，相关天线测试软件，无线AP一个。这些东西估计大家都很容易找到的，下面我们来看下本作品的主要设计思路。 2.5 本设计方案思路 为使其制作天线尽量简单化、明了化，所以我们这次制作尽量使用组合器材。 为了尽量简单，我们直接选择合适大小的罐头盒，让他做为天线的环境(这个环境对天线接收信号强度影响很大)，再用废弃的铜片裁剪成形状合适，大小适中的天线(这个形状大小对天线接收信号影响也很大)，再通过50欧姆馈母线与无线网卡相连，把这三大件组合在一起就很简单的做成了一个天线。 测试环节，用笔记本测量无线网卡接收信号强度多少，再使用专门的软件对比测 6 试某个信号强度在不同天线下的大小。 2.6 主要技术指标 1、天线是输入阻抗 天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的比值。天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。匹配的优劣一般用四个参数来衡量即反射系数，行波系数，驻波比和回波损耗，四个参数之间有固定的数值关系，使用那一个纯出于习惯。在我们日常维护中，用的较多的是驻波比和回波损耗。一般移动通信天线的输入阻抗为50Ω。 驻波比:它是行波系数的倒数，其值在1到无穷大之间。驻波比为1，表示完全匹配;驻波比为无穷大表示全反射，完全失配。在移动通信系统中，一般要求驻波比小于1.5，但实际应用中VSWR应小于1.2。过大的驻波比会减小基站的覆盖并造成系统内干扰加大，影响基站的服务性能。 回波损耗:它是反射系数绝对值的倒数，以分贝值表示。回波损耗的值在0do的到无穷大之间，回波损耗越大表示匹配越差，回波损耗越大表示匹配越好。0表示全反射，无穷大表示完全匹配。在移动通信系统中，一般要求回波损耗大于14dB。 2 、天线的极化方式 所谓天线的极化，就是指天线辐射时形成的电场强度方向。当电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波;当电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化波。由于电波的特性，决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流，极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减，而垂直极化方式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。 因此，在移动通信系统中，一般均采用垂直极化的传播方式。另外，随着新技术的发展，最近又出现了一种双极化天线。就其设计思路而言，一般分为垂直与水平极化和?45?极化两种方式，性能上一般后者优于前者，因此目前大部分采用的是?45?极化方式。双极化天线组合了+45?和-45?两副极化方向相互正交的天线，并同时工作在收发双工模式下，大大节省了每个小区的天线数量;同时由于?45?为正交极化，有效保证了分集接收的良好效果。(其极化分集增益约为5do，比单极化天线提高约2dB。) 3、 天线的增益 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，它是衡量天线性能好坏的重要的参数之一。 7 一般来说，增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度，而在水平面上保持全向的辐射性能。天线增益对移动通信系统的运行质量极为重要，因为它决定蜂窝边缘的信号电平。增加增益就可以在一确定方向上增大网络的覆盖范围，或者在确定范围内增大增益余量。任何蜂窝系统都是一个双向过程，增加天线的增益能同时减少双向系统增益预算余量。 4 、天线的波瓣宽度 波瓣宽度是定向天线常用的一个很重要的参数，它是指天线的辐射图中低于峰值3do处所成夹角的宽度(天线的辐射图是度量天线各个方向收发信号能力的一个指标，通常以图形方式表示为功率强度与夹角的关系)。 天线垂直的波瓣宽度一般与该天线所对应方向上的覆盖半径有关。因此，在一定范围内通过对天线垂直度(俯仰角)的调节，可以达到改善小区覆盖质量的目的，这也是我们在网络优化中经常采用的一种手段。主要涉及两个方面水平波瓣宽度和垂直平面波瓣宽度。水平平面的半功率角(H,Plane Half Power beam width):(45?,60?,90?等)定义了天线水平平面的波束宽度。角度越大,在扇区交界处的覆盖越好，但是当我们提高天线倾角时，也越容易发生波束畸变,形成越区覆盖。角度越小，在扇区交界处覆盖越差。提高天线倾角可以在移动程度上改善扇区交界处的覆盖，而且相对而言，不容易产生对其他小区的越区覆盖。在市中心基站由于站距小，天线倾角大，应当采用水平平面的半功率角小的天线，郊区选用水平平面的半功率角大的天线;垂直平面的半功率角(V,Plane Half Power beam width):(48?, 33?,15?,8?)定义了天线垂直平面的波束宽度。垂直平面的半功率角越小，偏离主波束方向时信号衰减越快，在越容易通过调整天线倾角准确控制覆盖范围。 5、 前后比(Front-Back Ratio) 表明了天线对后瓣抑制的好坏。选用前后比低的天线，天线的后瓣有可能产生越区覆盖，导致切换关系混乱，产生掉话。一般在25,30dB之间，应优先选用前后比为30的天线。 以上说的这些天线指标参数，是一些主要衡量天线性能好坏的参数。由于测量计算这些参数需要一些特定的工具还有一些技巧，我对这个自制的天线的技术指标没做什么精确的测量和计算。 8 第3章 理论分析 3.1 分析天线形状 天线主要是在无线传输过程中起到一个媒介的作用。首先无线电发射机输出的射频信号功率,经过电缆反馈输送给天线，然后天线以电磁波形式辐射出去，而当电磁波到达接收点之后，最后又由天线接受下来，但是接收的只能接收到小部分功率，并且通过电缆反应到无线电机手机.在整个环节中，天线是无线通信的重要组成部分。天线的品种繁多，主要分类有:1.按用途分，可以分为通信天线、电视天线、雷达天线等。2.按工作频段分，可以分为短波天线、超短波天线、微波天线等。3.按方向分类，可以分为全向天线、定向天线等。4按外形分类，可以分为线状天线、面状天线等等。这么多的分类以供不同的频率，不同用途，不同场合，不同要求等不同的情况下可以做出选择。 发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向辐射，垂直放置的半波对称振子具有平放的 "面包圈" 形的立体方向图。 若干个对称振子组阵，能够控制辐射，产生"扁平的面包圈" ，把信号进一步集中到在水平面方向上。 下图是4个半波振子沿垂线上下排列成一个垂直四元阵时的立体方向图和垂直面方向图(图3.1.1 ，图3.1.2)。 图3.1.1(立体方向图) 图3.1.2(垂直方向图) 也可以利用反射板可把辐射能控制到单侧方向，平面反射板放在阵列的一边构成扇形区覆盖天线。下面的水平面方向图说明了反射面的作用------反射面把功率反射到单侧方向，提高了增益(图3.1.3 图3.1.4)。 图3.1.3 (垂直阵列不带平板反射板) 图3.1.4(垂直阵列带平板反射板) 9 抛物反射面的使用，更能使天线的辐射，像光学中的探照灯那样，把能量集中到一个小立体角内，从而获得很高的增益。不言而喻，抛物面天线的构成包括两个基本要素:抛物反射面和放置在抛物面焦点上的辐射源。 3.2 天线尺寸设计 信号源的形状、大小、安放的位置都是极为重要的，对于WIFI无线信号源我们也不是随意放置的。信号源与天线底部的那一小段距离被叫做偏移距离，一般来说这段距离应该是“封闭空间波长”的1/4。对于各种频率信号来说，偏移的距离也各不一样。下面的表格就列出了在无线网络领域中1、6、11频道的偏移距离。信号源将直接连接到同轴电缆内部的导体，它是信号扩散到空间中的最终的放射源。放射体可以有很多形状，对于波导信号来说不同形状的放射源也会产生不同的效能。一般常用的放射源有三种形状:圆柱体、楔型体、圆锥体。如下图(图3.2.1 )所示:根据选用不同形状的信号源，设计的信号源尺寸也不太一样。 图3.2.1(三种天线形状) 圆锥型的放射源是最有效率的，但它的制作工艺要求非常严格，因此实现起来也是非常困难的，而圆柱体和楔型体制作起来就比较简单了。其中圆柱体的放射体制作起来是最为简单的，你只需要找一根粗一点的铜导线就可以了。但是圆柱体的信号的适应频率和拓展范围也是最为狭窄的。如果使用它来制作波导天线的话，最终的信号效率将大打折扣。较之圆柱体来说楔型体放射源的制作会稍微复杂一些，但是它可以完全与WIFI的信号频率相匹配。并且信号的效率也仅仅比圆锥体略逊一点而已，因为楔型体与圆锥体最为近似，他们的信号效率也就大致相当。所以呢，在此，我们就选择楔型体的放射源。 10 图3.2.2(楔型体天线尺寸) 虽然楔型体放射源的制作并不复杂，但是也需要你掌握一定的焊接技术。要想涵盖所有的WIFI频段，楔型体的底部需要有1mm的宽度，即它与N型连接头焊接的地方，它的顶端宽度要达到6mm。如上图(图3.2.2)所示: 我们来理论分析一下为什么用裁成这样的大小。 因为要天线取得好的接收效果，信号源的水平高度应该为波长的1/5左右。 波长为 λ=c/f 即300000000/2.437GHz λ=123mm,五分之一的λ为24.6mm 所以信号源水平高度我们设定为24mm 3.3 罐头盒大小设计 此毕业设计作品是罐状天线，像是一个胖墩墩的罐头盒，罐状天线属于一种波导天线。这种罐头盒天线的尺寸小巧,电导率高,可以适应各种无线电频率信号，而且它的摆放位置也不是十分严格。这种天线的外形和尺寸都可以自己制定，信号的覆盖范围也非常广，波导天线的尺寸要与所传输信号的频率相匹配，因此波导天线需要特殊的尺寸。在当今的WIFI 无线网络环境中,我们使用的都是2.4GHZ的波段。无线网络的这个波段被划分成14个频道，从Channel 01:2.412 GHz起步，每个频道递增0.005GHz。一般WIFI无线网卡默认的是6频道，也就是2.437GHz的频率。我们要以6频道为准绳,制造出一架全WIFI频道的无线天线。对于这一波段内的天线有着严格的尺寸要求。为了保证WIFI天线能够更好的工作,我们需要尽 11 可能的精确罐头盒的尺寸。如下图(图3.3.1)所示: 图3.3.1(罐头盒尺寸) 我们要知道信号源的形状、大小、安放的位置都是极为重要的，我们一定要注意这些规格参数。对于WIFI无线信号源我们也不是随意放置的。信号源与天线底部的那一小段距离被叫做偏移距离，一般来说这段距离应该是“封闭空间波长”的1/4。准确的数据是“封闭空间波长”的7/32。就是对于各种频率信号来说,偏移的距离也各不一样。比如无线网络领域中1、6、11频道中，楔型信号源的偏移距离也不尽相同。根据6频道，2.437GHZ的无线信号为基准，在我们计算出，在这个长度为100mm内径的罐头盒中,偏移距离为27mm。我们需要在距离罐头盒底部27mm的地方钻出一个孔洞用来放置信号源。如果你的罐头盒内径不是100mm，那么你需要细心的计算出你自己的偏移距离。这个偏移的距离对最后网络信号的接收效果尤为重要。 直径最好为100mm，误差不要超出10%(90mm-110mm)，长度约在123mm左右,误差也不要超出10%，信号源偏移距离为27mm(大约是波长的7/32)，计算波长的方法为:300/2.437=123mm，信号源偏移距离为27mm(大约是波长的7/32)，虽然就这简简单单的几步，但这几步是非常关键的，有了具体的数据要求，才能加工出所需的元件。 12 3.4 导波线路分析 谈起导波线路的制作，我们先来了解一下什么是导波。 波导，不是咱们平时用的那个手机牌子而是一种射频信号(RF射频)的传输通路。一般的低频信号可以使用铜线作为天线，例如你汽车上的无线电.而高频的RF射频信号有时就采用这种波导的方式传送高能量，高频率的信号。在军事雷达领域通常就使用的是这种波导传送的方式。 波导是一种微波信号的传输方式,它类似于一个同轴电缆。但与同轴电缆不同,波导在传递微波频率的时候几乎没有信号的损失。RF射频信号的能量一般都大于60千兆赫兹，他们可以快速的穿越波导管道。波导信号的传输需要一些特殊构造的金属来充当天线，他们的外形和尺寸都非常特别。真正的导波线路如下图(图3.4.1): 图3.4.1(各种导波线路) 波导信号的发散形状非常有趣,它的样子就像电磁RF射频能量。这些具备二元性的电磁波的发散形状非常稳定,并且磁场波及范围非常广阔.在同轴线缆内,信号是沿着线缆中的导体向外进行扩散.而在波导中,一部分信号被天线所阻挡、反射,最后所有的信号都径直朝向一个方向发散开来,其中的细节错综复杂。如下图(图3.4.2): 13 图3.4.2(罐状导波信号发散) 通常波导天线都是矩形结构的,这些天线的制造和安装也都非常昂贵。因为天线是金属的，他们要求加工工艺非常精确,波导传输线的要求也非常严格。构建一个波导线是非常困难的，那需要专用的工业材料。为什么方便起见，而且我们仅仅需要较短距离的波导传输,波导线就可以使用一般的同轴电缆代替。而且民用WIFI的信号对于天线的要求就更为宽松,天线也就可以制作的简单一些。我们分析的50欧母馈线或75欧姆同轴缆线(同轴缆线距离不能长,一般300mm长度内效果还可以)50欧姆馈线为最佳。所以，我们选用50欧姆馈线。馈线两端的接口为，SMA公母头，此线我们用400mm长左右，SMA公母头可以请专业人士帮我们制作。制作出来如右图(图3.4.3): 图3.4.3(制作完成的馈线) 14 第4章 制作与调试 4.1 整体实物制作 先来看看几张完成的图片(图4.1.1，图4.1.2，图4.1.3)。 图4.1.1(实物整体) 图4.1.2(实物馈线头) 图4.1.3(实物天线) 15 我们从一开始就说过，要使这个毕业设计制品制作简单，制作工具容易寻找。 我们先从罐子入手，具上面理论分析得到罐子合适的尺寸，我们就照这样的尺寸以去超市寻找合适的罐头盒，一般很多大桶装的咖啡和牛奶罐头都是不错的选择。罐头盒周身最好是光滑的圆柱，不要有凹凸不平的波浪纹。如果找不到，可找底面积相同，高度超过理论值的罐头，我们可以剪裁成适合高度的罐子。不过，为了方便起见，尽量使用无需剪裁，尺寸合适的罐头。我这里用的是“金装爱儿乐”，净含量为400g的那种，尺寸完全符合。如下图(图4.1.4)所示: 图4.1.4(大小合适的罐头盒) 一旦确定了偏移距离,后面的工作就比较简单了。我们可以先用笔和尺子在罐头盒上标出钻孔的位置.需要注意的是，在测量距离的时候,不要理会罐头盒底部凸出部分的距离,而是要以内壁的底部为准。如下图(图4.1.5)所示: 图4.1.5(测量罐头钻孔距离) 在钻孔的时候你要注意,钻孔的直径要略大于50欧姆馈线节点SMA公头的直径。这样以后只要稍微用力,就能将SMA公头压入罐中，并且可以旋紧，不需要使用绝缘胶布，非常方便。这里我使用了6mm的SMA公头，在罐子上的打的是略大于6mm的小洞。打洞时要注意安全，并且，要竖直与罐底面平行。不要打歪， 16 这点要非常小心。也不要打的太大了，如果太大了，就无法旋紧SMA公头了。如果洞太大了，可以用绝缘胶布粘在SMA公头的螺纹上，在旋紧，或者用螺母从罐内与SMA公头铆合，旋紧。如下左图(图4.1.6)所示: 图4.1.6 (SMA头与罐头) 图4.1.7(罐头打 孔) 本人是去我校的工程训练中心区打的孔，打孔要注意的是，打孔是力气不要太大，以免让罐体变形，影响天线接收信号效果(图4.1.7)。尽量保持罐头盒边沿的平滑，打完洞后，罐子的制作基本完成了。最好，保持罐体内外清洁，尤其是罐里的粉末，我们要将罐头盒内部都清理干净。 接下来，我们来制作天线中最重要的一部分，天线的信号源。虽然这个部分只有10mm*30mm大小，但它对整个天线系统的影响是非常重要的。剪裁成大小如下图(图4.1.8)所示。 图4.1.8(契型天线尺寸) 17 这个信号源可以用金属片来制作，最好使用铜片。因为铜片可以和SMA公头较好的焊接，其他金属片则不太好焊接牢固。铜片可以去附近的废品收购站去寻找，要清洗感觉，保持铜片清洁，如果铜片表面不够平整的话,可以使用锤子在其表面反复击打整平。记住，这个小铜片对天线系统影响很大，剪裁、安装稍有偏差也会将对后期完成。制作的天线系统产生非常大的性能影响。所以，大家务必要对信号源的制作抱以认真的态度。 剪裁成合适大小的形状后，接下来，我们来制作导波线，因为做真正的导波线是非常复杂的，也需要专门的工具和材料，这里我们用50欧姆馈线替代。主要制作的是线两端的SMA公母头。 先剥5mm左右黑外皮，再剥3mm左右芯线，把小针焊好，然后比着那SMA头外套，剥掉黑色外皮，然后用大头针之类的东西把铜编网挑开。效果如下图(图4.1.9)所示: 图4.1.9(剥出的主芯) 在插入SMA头，看看是否合适，如果不合适，照上面步骤在做一次。如下图(图4.1.10)所示: 18 图4.1.10(SMA头嵌入主芯) 把另一头的黑皮剥掉10mm左右，用老虎钳把屏蔽铜网和主芯铜线紧紧夹住，然后向另一段捋出黑色外皮，长度大概和SMA外套上压纹部分的长度一样，不能让屏蔽铜网和黑色外皮一起动，这是这种方法的关键。具体操作图片为(图4.1.11，图4.1.12，图4.1.13): 图4.1.11(捋芯) 图4.1.12(夹芯) 图4.1.13(嵌入) 这时候看另一段，那个黑皮基本和主芯大小一样长了，用力把SMA外套插到芯线和剥开的铜线之间，一直到外套上的压纹都被黑皮裹住为止，用刀子仔细把多余的铜线割掉。最终做成的头子如下图(图4.1.14)所示: 19 图4.1.14(一头制作完成的馈线) 另一个头用相同的方法做出来，注意小手，不好受伤。 也可以去网上直接订做此头，毕竟我们是第一次做头，比不上他们做的老练。而且网上订做省去你不少麻烦。我就是去网上定做，非常方便。 3、大部分我们已经基本搞好，现在这是最后一步,让我们把所有的配件都组装在一起吧。首先,使用电烙铁,将楔型体放射源焊接在SMA公头上，注意，焊锡要均匀平整,不能因中间连接了焊锡而改变楔型体的长度。如果你是用金属片可能就不太好焊接，可以用力插入，在用纸巾塞紧，我就这样的做的，再在上面镀上焊锡。 如右图(图4.1.15)所示: 图4.1.15(契型天线片) 接下来我们还把这个插入罐子内，注意，不要碰坏，碰歪天线。楔型体放射源的表面要与罐头盒底部相平行，否则你的信号强度也会大打折扣完成后。全部弄完后，一个简单，但性能优越的天线完成。 在整个制作中一定要力求精细，每个规格参数都要力求精准，这样天线才能发挥 20 出最大功效。 4.2 WIFI天线调试 天线做好了，为了使天线发挥出最佳功效，我们还需要稍微调试下天线。调试的步骤也很简单: 1、保证，馈线和罐子接口是紧密的，不能有松动。 2、保证，信楔型体放射源的表面要与罐头盒底部相平行，不太容易偏离位置，这要第一步保证后，才能实现。 3、保证，信楔型体放射源在罐子内的高度要符合标准，不能太高或太低。 4、保证，罐子的开口方向尽量朝着信号来源方向，罐状天线是导波天线，这样会使这种天线更好的接收信号。 21 第5章 性能测试与对比 5.1 系统自带天线与WIFI天线性能对比 制作完成后，现在我们来测试一下这个自制的WIFI天线性能如何，观察天线接收信号数量和强度。 在这里我们分别测试用自制的天线，系统自带的天线与不带天线的无线网卡工作情况，看看无线网卡收到的信号情况。这里的环境是学校的网络中心办公室中，因为这里的无线网络较多，比较容易出效果，以下是三种情况的比较图，我们先来粗略的比较一下(图5.1.1，图5.1.2，图5.1.3，图5.1.4，图5.1.5，图5.1.6): 图5.1.1 (无天线网卡) 图5.1.2(信号图) 不带天线的无线网卡 收到了一个信号 图5.1.3 (系统天线网卡) 图5.1.4(信号图) 用了系统自带的天线 收到了3个信号 图5.1.5(罐头天线网卡) 图5.1.6(信号图) 22 用了自制的WIFI天线 收到了较多的无线信号 我们粗略的比较了一下，很明显的看出用我们制作的天线的接收到无线信号数量个数大于系统自带天线的数量个数，而且，我们认真的比较了一下。在此，我们注意China Net这个信号强度。不带天线的网卡接收到的信号强度为2格，用系统自带天线接收到的信号强度为4格，而用我们自制的天线接收到的信号强度为满格～由此可以看出自制的天线性能远大于系统自带的天线。接下我们用专业的软件来测试下，自制的WIFI天线的接收信号强度比系统自带的天线到底强多少，这里是用Wireless Mon这款软件。 现在插上系统自带的天线，用Wireless Mon测试一下接收FAST网络的信号强度(图5.1.7): 图5.1.7(Wireless Mon测试信号接收数量) 为了更好的研究，我们放大仔细观察(图4.2.8): 图5.1.8(系统自带天线的FAST信号强度) 观察(图5.1.8)可得，信号强度约为30(100为满)。 23 图5.1.9(Wireless Mon测试信号接收数量) 换上自制的WIFI天线来继续观察一下这个信号强度。由于，此WIFI天线是导波天线，对方向性有比较敏感的要求，我们连上后，转动这个天线，使其最好的接收到所需的信号来源方向，更好的让天线发挥出功效。如上图(图5.1.9)所示: 为了更好的研究，我们放大仔细观察(图5.1.10): 图5.1.10(自制天线的FAST信号强度) 信号强度大约为65(100满)，比系统自带的天线多了35，对比效果明显。 对比后，我们继续观察连接信号的稳定行与持久性，差不多连上以后信号强度一直维持在60%左右，如下图(图5.1.11)所示: 图5.1.11(信号连接稳定行与持久性) 下图(图5.1.12)表明各个信号分布在各频道中，接收到1,4,6,7,11,13的频段信号，由于信号数目个数有限，如这里有其他频段的信号，也是能接收到的。 24 图5.1.12(接收到信号所示波段) 25 第6章 制作心得 1、该天线的确适合初学者业余制作，大家不要被未尝试过的制作而难倒，要相信自己相信科学。本人也是新手，之前也没抱多少希望制作天线的，当果断迈出第一步之后，你会尝试到实践带来的无穷乐趣和知识～ 2、制作天线时的尺寸和用料是成功的关键，一定要把握好尺寸的精确度，最好制作时反复测量，力求尺寸准确，在这次制作中我每次剪裁时都是反复度量尺寸，精确度起码是mm级。材料也要选质量过关的，选用无需手工加工的形状合适的罐子盒，尽量使用高质量的馈线和铜片，如果找不到铜片也可用易拉罐的合金片来代替。 3、制作过程中尽量多与身旁的同学好友们和老师们交流心得，听取各方意见，吸取经验，边做边学，这样会少走很多弯路，而且做出来的天线效果也会较好。 4、对这个WIFI天线性能影响最大的是该系统的信号源的形状、大小、安放的位置，这些一定要准确，这对该天线性能都是极为重要的。 5、用同样的元件做出的产品也有好有坏，是什么影响了产品的性能呢,制作者的态度，所以，大家做这个天线时，态度要好，要有耐心，细心，不急不躁，方能做好这个天线。 6、由于本人在网络中心，自然无线信号较多，走廊上一大堆，开个门就有N多无线信号溢进来，这一点再次验证了“好机不如好天线，好天线不如好传播～”这个经验。 7、实践出真知，制作天线的过程中逐渐了解各种的天线的知识，原来天线分有很多种类，有一些天线体积十分巨大，功率超强，又有一些天线体积十分小巧，使其工作在不同波段，为设备所服务。 26 第7章 结论 本设计方案达到了任务书的要求，实现了WIFI天线可以接收到WIFI信号的并可以让无线设备正常联网功能。 本设计制作简单，功效出众，可以让很多无线爱好者学习制作。制作时，多与身旁的老师同学好友们交流心得，听取各方意见，制作天线时的尺寸和用料是成功的关键，要把握好尺寸的精确度，材料要选质量过关的，这点真的是非常的重要。要有认真负责的态度，不耻下问的精神。 由于时间、水平和经验有限，在无线信号的接收强度方面仍有不足之处，有改进的余地，比如更高精度的剪裁，取质量更好的信号材料。由于时间和设备的原因，只进行了固定点距离的调试，没有采用移动式的调试，有待进一步提高。 这次毕业设计对于我来说，既是一次机遇，又是一次挑战。通过这次的毕业设计，我学到了很多东西，通过自己的实践，增强了动手能力。通过实际工程的设计也使我了解到书本知识和实际应用的差别。在实际应用中遇到很多的问题，这都需要我对问题进行具体的分析，并一步一步地去解决它。 27 参考文献 [1] 《微波天线设计的数学方法》 出版发行项: 1983.6 责任者:林世明编著 [2] 《天线设计手册》出版发行项: 北京-解放军出版社 1988.6责任者:拉奇等 [3] 《近代天线设计》出版发行项: 北京-人民邮电出版社 1990.8责任者: 林昌 禄等编著 [4] 《WIFI天线DIY》 此书了某网友制作的，在电子设计的论坛上发的，故无出版社和作者名 [5] [会议论文] 马吉春, 万博，2008 - 2008世界通信大会中国射频通信分论坛 [6] [期刊论文] 冯博, FENG Bo - 《西安邮电学院学报》2007年1期 [7] [学位论文] 孙静， 2008 - 上海交通大学:电磁场与微波技术 [8] [期刊论文] 陈文周 -《数据通信》2008年2期 [9]维库电子开发网#C534I2055 [10]百度百科 Dimousios, T.D. ;Panagiotou, S.C. ;Capsalis, C.N. ;Nat. Tech. Univ. of Athens, [11] Athens .This paper appears in: Electromagnetics in Advanced Applications, 2007. ICEAA 2007. International Conference on [12] Elayachi, M.; Brachat, P.; Ratajczak, P.; France Telecom R&D, La Turbie .This paper appears in: Antennas and Propagation, 2006. EuCAP2006. First European Conference on 28