这个100年前发明的天线，竟然还有上5G？？？

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今天在知识星球上一个同学咨询一款关于Wifi天线的仿真和设计，说来惭愧，我还是第一次看到这种天线（感谢这位同学的许可，我把那张图片放到了文章最后）。我们先来看一下富兰克林天线典型结构如下图所示：

这款发明于1924年的天线，发明家是英国工程师查尔斯·塞缪尔·富兰克林 (Charles Samuel Franklin)，专利号是UK242342.

提到富兰克林，大家第一印象就是美国那个雷雨天放风筝玩闪电的美国大科学家，但是这个富兰克林非彼富兰克林，富兰克林天线的发明者是英国的查尔斯·塞缪尔·富兰克林（Charles Samuel Franklin）。是著名的英国广播先驱。富兰克林出生于伦敦，是 13 个家庭中最小的一个，并在西尔瓦努斯·P·汤普森 (Silvanus P. Thompson) 的指导下在英格兰芬斯伯里的芬斯伯里技术学院接受教育。1899 年毕业后，他加入了马可尼公司，在那里度过了他的整个职业生涯。他首先被派往南非为布尔战争提供装备，然后在俄罗斯呆了2年。回到英国后，他发明了许多重要的无线电设备，包括可变电容器、联动调谐、可变耦合、同轴电缆和富兰克林振荡器。今天，富兰克林以他的短波天线富兰克林波束天线而闻名。从1923年和1924年马可尼公司的波尔杜站，他在南大西洋的游艇 Electra 上向 Guglielmo Marconi 发送短波传输。富兰克林还积极参与早期的电视开发。1935 年，受托人将亚历山德拉宫的一部分租给了 BBC，BBC 将其用作新 BBC 电视服务的制作和传输中心。富兰克林设计了它的天线，并于 1936 年从这个网站制作了世界上第一个公开的高清电视广播。”

而今天我们所要介绍的第一个天线专利就是 CS Franklin 在1924年申请的专利，专利号：242232，专利摘要的翻译如下：为了确保与信号波长相比电长的类型的天线具有显着的定向效应，必须采取措施抑制来自沿天线的驻波形成的每个交替半波长的辐射。例如，图 2 显示了沿天线 A 存在的正常条件，信号波长的一倍半，曲线 B 显示了驻波的形成，而辐射的极坐标图则由六个点曲线 C。通过将天线的中心驻波段自身加倍，最终的极曲线被更改为图 3 所示的形式。或者，折返部分可以由等效的电气代替，例如带或不带并联电容器的电感线圈，基本上调谐到基本波长。以这种方式修改的天线越长或越高，方向效应就越明显。本发明可以应用于规范226,246中描述的类型的天线。

我们都知道，专利的描述都不是人来读的，中文专利阅读都吃力，更别说英文的了。我们用人话来解释一下这个天线的设计。

实际上，富兰克林天线是对称阵子天线的一个演变，对称阵子可以看成是一个双导线传输线末端张开构成的，如下图所示：在半波长对称阵子上的电流是等幅同相的，叠加起来，向外辐射电磁波信号。

当我们继续把半波阵子的臂长延长，其电流分布就会如下图所示：我们看到流经两个对称阵子臂的电流存在等幅反向，就会相互抵消，这样，天线的辐射就很小。

那怎么办呢？一百多年前，富兰克林给出了解决方案：就是将具有反向电流的线段折叠起来，形成两端四分之一波长的电流大小相同，相位相反，让它自己电流进行相互抵消不辐射能量，这样剩下的具有相同电流的部分 就可以叠加，实现更高增益的天线性能，如下图所示。这些折叠起来的部分，又叫做反相器，也可以用集成线圈来实现。

这样同向的天线臂就组成了一个串馈天线阵。这个一举两得的做法简直天才，既提高了天线的增益，又有效缩小了天线的体积。这个就是富兰克林天线的由来。

富兰克林天线一般采用中馈的方式进行馈电，也可以采用底馈的方式进行馈电，如下图所示。底馈就是在中馈电下面加反射板，类似于对称阵子和单极子天线的关系。

中馈电

底馈电

富兰克林天线在今天的使用中，有很多的改进结构，甚至有5G应用论文（由于没有IEEE权限，这篇文章没有下载下来，可以下载的同学帮个忙呗）。

而在射频学堂知识星球上，这位同学给出的就是底馈富兰克林天线的一款变形，引用在无线路由器Wifi上，以提高wifi的天线增益：那个折叠线段就是富兰克林天线的反相器，剩下的辐射片为什么做成不同宽度，不同长度，又有什么功能呢？欢迎大家在留言处一起讨论学习。

来源：射频学堂