随着当今家庭内外使用的设备不断增加网络功能，对连接性的要求也越来越高。 为了保持各种连接，特别是在通信链路中可能存在信号阻挡障碍物的环境中，网络设备中的波束成形功能非常有用，它能将信号路径导向连接性更好的路径。 在此，我们将探讨一种用于家庭联网的无线保真智能扬声器类型的设备，以演示如何利用多频率阵列天线的不同组合来实现波束转向模式并保持最佳信号路径。 所探讨的 MU-MIMO WiFi 路由器将利用大多数 802.11a/b/g/n/ac 设备典型的 2.4 和 5 GHz 范围内的阵列，还将增加 802.11ax 和 WiFi 6E 频段的 6 至 7 GHz 覆盖范围。
这里讨论的 WiFi 路由器通用示例使用了四个环形排列的 5 GHz 天线和两个 2.4/6-7 GHz 双频元件。 天线封装在智能扬声器的外壳中，外壳中还会有其他电路板和扬声器部件，在此简化为几个部件。 设备的基本设计如图 1 所示，高约 100 毫米，半径约 50 毫米。 在图 2 中，设备的外部部分被拆除，以显示内部的天线阵列元件。 有四个调谐频率为 5 GHz 的平面偶极子天线（如图 3 所示），以半径为 30 毫米的圆形方式排列。 此外，还有两个类似的天线，分别调谐为 2.4 和 6-7 GHz 双频使用，围绕 5 GHz 阵列的中心轴旋转 45 度，以减少阻塞。 双元件阵列之间的间距为 60.5 毫米。 图 4 显示，在相关频率下，2.4/6-7 GHz 阵列两个元件的回波损耗低于-10 dB。 同样，每个 5 GHz 元件的回波损耗如图 5 所示，在 5 GHz 时也低于-15 dB。
图 1：图中是一个普通 WiFi 路由器设备的三维视图，透过盖板可以看到部分内部天线阵列。
图 2：WiFi 路由器的内部天线阵列已拆除覆盖部分。
图 3：5 GHz 天线的近景。2.4/6-7 千兆赫天线的设计类似。
图 4：2.4/6-7 千兆赫天线元件的回波损耗值在所需频段低于 -10 dB。
图 5：5 GHz 天线元件的回波损耗值在所需频率低于 -15 dB。
在自由空间中，每个天线元件都会产生典型偶极子天线的球形图案。 然而，在 WiFi 路由器的环境中，附近有相邻的元件、导电电路板和其他部件，图案会发生很大变化。 图 6 显示了 2.4 GHz 元件的典型模式，其中矩形天线的长端有两个主要辐射裂片。 图 7 显示了两个元件独立作用的覆盖范围，其中显示了四个裂片。 如图 8 所示，对于 5 千兆赫元件，单个元件产生的图案是一个单叶，正常指向天线的大平面外。 如图 9 所示，阵列中的四个元件产生四个独立的裂片，分别覆盖设备周围的每个象限。
图 6：所示为 2.4 GHz 天线阵列一个元件的三维图案俯视图。该图案有两个聚焦于水平面的裂片。
图 7：2.4 GHz 阵列两个元件增益模式的三维图。
图 8：其中一个 5 GHz 阵列元件的三维增益模式俯视图，显示了正常辐射到阵列元件的单波束。
图 9：所示为 5 GHz 阵列元件的四个单独增益模式。
利用XFdtd 3D 电磁仿真软件中的阵列优化功能，可以确定阵列的性能，从而找到可能的全面覆盖。 对于此 WiFi 路由器而言，主要目标是在设备周围的水平面内实现良好的覆盖，因此以下分析的重点是该平面内的优化。 对于由两个元件组成的 2.4 GHz 阵列，水平面内可能的最大覆盖范围（或最大 EIRP）如图 10 所示，可以看出设备周围呈圆形。 水平面图案的二维极坐标图如图 11 所示，设备周围 360 度的增益相当均匀。 在 5 GHz 频率下，四个元件既可以一起使用，也可以分成两组或三组使用。 图 12 显示了四个元件作为一个阵列一起使用时的最大 EIRP，图案覆盖路由器水平面周围 360 度。 在图 13 中，极坐标图显示了两个相邻元件一起使用时可能产生的四种模式，这些模式可产生更集中的光束，覆盖设备周围约 90 度的区域。 图 14 显示了使用 5 GHz 阵列的两个相邻元件可能产生的其中一个波束，它显示了一个相当窄的波束，在 XY 平面上的指向约为 105 度。 如图 16 所示，6 GHz 的最大 EIRP 模式（图 15）在水平面外倾斜度较大，但仍能在路由器水平面周围的所有角度产生足够的增益。
图 10：2.4 GHz 天线阵列在水平面上的最大 EIRP 图样显示，WiFi 路由器周围的覆盖范围几乎是均匀的。
图 11：水平面上最大 EIRP 的极坐标图显示，所有方向的增益都在 4 dBi 左右。
图 12：5 GHz 阵列四个元件的最大 EIRP 图样显示在水平方向上。
图 13：在 5 GHz 频率下使用相邻天线的双元件阵列的最大 EIRP 极坐标图。每个双元阵列都能很好地覆盖设备周围的一个象限区域。
图 14：其中一个双元件 5 GHz 阵列的光束图案显示，图案将光束聚焦在约 105 度处。
图 15：两个 6-7 千兆赫元件在 6 千兆赫时的最大 EIRP 图样显示，波束在水平轴上方倾斜，但设备周围仍有可能出现正增益。
图 16：双元件阵列在 6 千兆赫时的最大 EIRP 极坐标图显示，在水平面内，增益可能在 1 到 3 dBi 之间。
图 17：多个阵列配置的 EIRP CDF 图。
通过创建EIRP 的累积分布函数，可以计算出设备周围整个三维球体的最大覆盖范围。 在图 17 中，EIRP 的 CDF 图显示，对于 2.4 GHz 阵列元件的所有可能相位关系，近 78% 的方向都有可能获得正增益。 在 5 GHz 时，两个相邻元件的 CDF 图覆盖率超过 60%，而在所有四个元件的情况下，超过 83% 的方向都能获得正增益。 最后，对于两个 6-7 GHz 的元件，约 75% 的方向可以获得正增益。
使用 XFdtd 工具进行的阵列分析表明，这种 WiFi 路由器设备能够在所需角度的整个范围内产生良好的增益，聚焦光束可跟踪移动目标，并在动态环境中找到更好的路径。