Wi-Fi信號放大器加強升級版

這個制作的要點在于制作一個免費的Wifi波導天線(雖然需要一些自備材料)。

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管理員 2021-03-08 01:30

這個制作的要點在于制作一個免費的Wifi波導天線(雖然需要一些自備材料)。

普通用來架設無線網的路由器使用全向天線發送和接收信息包,這些信號以相同的強度向各個方向發送。比較悲劇的一件事是普通路由器的天線不算給力,范圍也不過50到100英尺。

而定向天線的信號集中在一個特定的方向,雖然犧牲了其他方向的信號強度,但在需要的方向上可以獲得更大的通信距離。

上次我們說的那種放大器的缺點在于,僅弧形鋁皮焦點附近較小區域內,信號才能得到增強,而且效果沒預期的那么明顯 。

另外一種比較流行的做法是用一個漏勺,在很多野外作業現場會用到這種方法,不過考慮到不是每個人手上都有閑置的漏勺,所以還是推薦這種用罐子的方法。

下面介紹的這種金屬罐天線是為了擴大廉價路由器的通訊范圍而設計的,它是一個金屬制成的定向天線,可以用一個N型連接器通過同軸電纜連接到路由器本體。

1 波導原理  

  

我們要做的金屬罐天線是一個引導電磁波向指定方向傳播的通道,用專業名詞來說叫做波導。波導里,電磁場只能以特定的模式存在。那些最好的波導里只容許單獨一種模式,因為不同的模式在波導中以不同的速度傳輸,這會引起散射,信號的脈寬會擴展,使接收變得困難。同時不同的模式也有不同的輻射方向,上面展示的是一種橫向電場(TE)和一種橫向磁場(TM)模式——圓形波導中的主要模式。

首先拿TE11模式做個例子,這種模式在圓形波導中占據優勢地位。上面是波導的側視圖和饋線。灰色的矩形是罐子天線,小的綠色饋線里的中心導體伸入罐中。它離罐底四分之一駐波波長,這會激發出TE11模式:圖中電場用紅色畫出,而磁場用藍色繪制。

  

  

現在假設你從罐形天線的底面而不是底部附近接入饋線,這會激發和上面不同的另一種模式。這叫做TM11模式,電場用紅色,磁場用藍色表示。


2 參數計算

就像上面說的,在波導天線中只希望激發單一的TE模式(這決定了需要采用從罐壁伸入饋線的設計)。對此可以選擇合適的金屬罐,它的直徑剛好容許 TE11模式生成但是能夠禁止TM01模式。考慮日常使用的Wifi網絡的頻率,大多數的802.11網絡,比如808.11b/g使用2.4GHz 頻 段,808.11n使用2.4和5GHz頻段,但是長距離傳輸時還是2.4GHz信號較強。為了簡單起見,只考慮常用的頻帶在 2.412~2.462Ghz的808.11b/g無線網絡。對于這一頻帶需要在設計金屬罐天線時讓TE11模式在2.412GHz時即能激發,并且在 2.462GHz工作時仍不會激發TM01模式。

想快速解決的話,參考這個網頁,里面有個在線計算器可以幫助你計算罐子直徑和饋線位置。

在線計算器

或者也可以拿出紙和筆開始計算:

首先是罐子的合適直徑。

TE11模式會在f = 2.412GHz 》 f_cutoff = 2*c/(3.41*D)時被激發。

TM01模式在 f = 2.462GHz 《 f_cutoff = 2*c/(2.61*D) 時不會被激發。

我們需要f_cutoffTE11 《 f 《 f_cutoffTM01

由此解出2.87英寸 《 D 《 3.67英寸

一般來說這里的直徑下限比較重要。罐子需要比2.87英寸大才能在2.4G下有效工作,而上限雖然有些影響,但并不是天線能否工作的硬性限制。

接下來我們需要計算饋線的位置。

之前提到過,為了激發TE11模式,饋線應該安放在1/4波長的位置,而整個罐形天線的長度是3/4波長。在開放空間里,只需要將光速c除以頻率就可以得到電磁波的波長,但是罐形天線內部情況有些變化,這里的駐波波長需要按照下式計算:

  

于是就可以從滿足要求的罐子的直徑D,計算出罐子切割后的剩余長度3/4Lg和饋線位置離罐底距離1/4Lg,這就是之前在線計算器給出的結果。

最后,當我們從罐壁引入饋線時,伸入罐內的金屬導體需要的長度Lo為1/4波長。


3 所需材料

  

○ 一小段粗銅線

○ 一些螺絲和螺母

○ 帶有外接天線接口的路由器(這次用的其實是一張無線網卡)

○ 合適大小的金屬罐(尺寸的選擇已經在上面說了)

○ 將路由器連接到金屬罐的饋線,以及相應的連接座

● 一些固定工具(比如三腳架,用來固定天線的朝向)


4 組裝天線

  

把各種罐子整理干凈。

  

  

在粗銅線上切下一段長度為1/4 ,約1.23英寸的銅線。

把這段銅線焊接在N型連接器的芯柱上。

從罐底量出正確的饋線位置。

鉆孔,安裝連接器。注意將連接器的金屬外殼與罐壁相連。

  

把罐子安裝到支架上。盡量避免在罐內有其它東西,固定用的螺絲螺母盡量少。


5 性能測試

  

這些數據通過安裝了Stumbler應用程序的iPod Touch采集,這個程序能顯示附近任何無線路由器的信號強度。測試結果里不包含單位,因為它只是個相對值。觀察到的最大信號值是76,降到10以后信號源就不可見了。

這些數據在物理系門廳采集,因此有可能被其他路由器或任何其他設備干擾,但從這個基本的測試里,也可以看出一些地方(40米和70米)的信號有隨距離增加的趨勢,這和天線本身的設計有關。

  

在長距離測試里,信號在100米外下降很快,但在365米內仍然高于10。這個結果是逐步遠離路由器,直到失去信號時測試出來的。它的局限性很大,但仍不失為一個可借鑒的參考。測試時走的是下山路,并且信號即將消失的時候和天線之間的視線被樹木遮擋了。在較好的情況下通訊距離也許會提高到1/4 英里。


6 改進建議

  

下面這些建議可能有助于獲得更好的性能,在有條件時可以試驗一下。

讓同軸電纜可以方便地在不同的金屬罐天線之間切換。

或許如上圖一樣,在金屬罐天線的開口添加一個喇叭口可以收集更多的電磁波。

分別用無線路由器和無線網卡作為天線的信號源,觀察效果是否不同。

在天線前增加有源放大器。

把兩個湯罐或者品客薯片罐背靠背裝在一起看看效果如何。

涂裝天線內壁。也許原先的罐體涂些油防銹就足夠好了。還有問題是或許可以加個能透過電磁波的絕緣蓋。

使用兩個與同軸電纜連接的金屬罐作為中繼器,來繞開物體(建筑物,山脈等)傳輸信號。

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