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制作免费的Wi-Fi信号放大天线【罐子升级版】

【导读】你可能知道如何用易拉罐或者废旧罐头制作wifi信号放大器,电子元件技术网今天介绍的金属罐天线是一个金属制成的定向天线,可以用一个N型连接器通过同轴电缆连接到路由器本体,可以让廉价路由器的通讯范围明显扩大哦!
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制作免费的Wi-Fi信号放大天线【罐子升级版】
制作一个免费的Wifi波导天线(虽然需要一些自备材料)之前,我们需要先了解一下波导原理:

制作免费的Wi-Fi信号放大天线【罐子升级版】
制作免费的Wi-Fi信号放大天线【罐子升级版】
我们要做的金属罐天线是一个引导电磁波向指定方向传播的通道,用专业名词来说叫做波导。波导里,电磁场只能以特定的模式存在。那些最好的波导里只容许单独一种模式,因为不同的模式在波导中以不同的速度传输,这会引起散射,信号的脉宽会扩展,使接收变得困难。同时不同的模式也有不同的辐射方向,上面展示的是一种横向电场(TE)和一种横向磁场(TM)模式——圆形波导中的主要模式。

下页内容:参数计算
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  • 第一页:原理介绍
  • 第二页:参数计算
  • 第三页:所需材料和组装天线
  • 第四页:天线安装
  • 第五页:性能测试和改进建议

首先拿TE11模式做个例子,这种模式在圆形波导中占据优势地位。上面是波导的侧视图和馈线。灰色的矩形是罐子天线,小的绿色馈线里的中心导体伸入罐中。它离罐底四分之一驻波波长,这会激发出TE11模式:图中电场用红色画出,而磁场用蓝色绘制。

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现在假设你从罐形天线的底面而不是底部附近接入馈线,这会激发和上面不同的另一种模式。这叫做TM11模式,电场用红色,磁场用蓝色表示。

2 参数计算

就像上面说的,在波导天线中只希望激发单一的TE模式(这决定了需要采用从罐壁伸入馈线的设计)。对此可以选择合适的金属罐,它的直径刚好容许TE11模式生成但是能够禁止TM01模式。考虑日常使用的Wifi网络的频率,大多数的802.11网络,比如808.11b/g使用2.4GHz频段,808.11n使用2.4和5GHz频段,但是长距离传输时还是2.4GHz信号较强。为了简单起见,只考虑常用的频带在2.412~2.462Ghz的808.11b/g无线网络。对于这一频带需要在设计金属罐天线时让TE11模式在2.412GHz时即能激发,并且在2.462GHz工作时仍不会激发TM01模式。

首先是罐子的合适直径。
TE11模式会在f = 2.412GHz > f_cutoff = 2*c/(3.41*D)时被激发。
TM01模式在 f = 2.462GHz
我们需要f_cutoffTE11
由此解出2.87英寸
一般来说这里的直径下限比较重要。罐子需要比2.87英寸大才能在2.4G下有效工作,而上限虽然有些影响,但并不是天线能否工作的硬性限制。

接下来我们需要计算馈线的位置。之前提到过,为了激发TE11模式,馈线应该安放在1/4波长的位置,而整个罐形天线的长度是3/4波长。在开放空间里,只需要将光速c除以频率就可以得到电磁波的波长,但是罐形天线内部情况有些变化,这里的驻波波长需要按照下式计算:

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于是就可以从满足要求的罐子的直径D,计算出罐子切割后的剩余长度3/4Lg和馈线位置离罐底距离1/4Lg,这就是之前在线计算器给出的结果。

最后,当我们从罐壁引入馈线时,伸入罐内的金属导体需要的长度Lo为1/4波长。

下页内容:所需材料和组装天线
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  • 第一页:原理介绍
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  • 第三页:所需材料和组装天线
  • 第四页:天线安装
  • 第五页:性能测试和改进建议

3 所需材料

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○ 一小段粗铜线
○ 一些螺丝和螺母
○ 带有外接天线接口的路由器(这次用的其实是一张无线网卡)
○ 合适大小的金属罐(尺寸的选择已经在上面说了)
○ 将路由器连接到金属罐的馈线,以及相应的连接座
● 一些固定工具(比如三脚架,用来固定天线的朝向)

4 组装天线
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把各种罐子整理干净。

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下页内容:天线安装
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  • 第二页:参数计算
  • 第三页:所需材料和组装天线
  • 第四页:天线安装
  • 第五页:性能测试和改进建议

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在粗铜线上切下一段长度为1/4 ,约1.23英寸的铜线。
把这段铜线焊接在N型连接器的芯柱上。
从罐底量出正确的馈线位置。
钻孔,安装连接器。注意将连接器的金属外壳与罐壁相连。

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把罐子安装到支架上。尽量避免在罐内有其它东西,固定用的螺丝螺母尽量少。

下页内容性能测试和改进建议
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  • 第三页:所需材料和组装天线
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  • 第五页:性能测试和改进建议

5 性能测试

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这些数据通过安装了Stumbler应用程序的iPod Touch采集,这个程序能显示附近任何无线路由器的信号强度。测试结果里不包含单位,因为它只是个相对值。观察到的最大信号值是76,降到10以后信号源就不可见了。

这些数据在物理系门厅采集,因此有可能被其他路由器或任何其他设备干扰,但从这个基本的测试里,也可以看出一些地方(40米和70米)的信号有随距离增加的趋势,这和天线本身的设计有关。
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在长距离测试里,信号在100米外下降很快,但在365米内仍然高于10。这个结果是逐步远离路由器,直到失去信号时测试出来的。它的局限性很大,但仍不失为一个可借鉴的参考。测试时走的是下山路,并且信号即将消失的时候和天线之间的视线被树木遮挡了。在较好的情况下通讯距离也许会提高到1/4英里。

6 改进建议
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下面这些建议可能有助于获得更好的性能,在有条件时可以试验一下。
  • 让同轴电缆可以方便地在不同的金属罐天线之间切换。
  • 或许如上图一样,在金属罐天线的开口添加一个喇叭口可以收集更多的电磁波。
  • 分别用无线路由器和无线网卡作为天线的信号源,观察效果是否不同。
  • 在天线前增加有源放大器。
  • 把两个汤罐或者品客薯片罐背靠背装在一起看看效果如何。
  • 涂装天线内壁。也许原先的罐体涂些油防锈就足够好了。还有问题是或许可以加个能透过电磁波的绝缘盖。
  • 使用两个与同轴电缆连接的金属罐作为中继器,来绕开物体(建筑物,山脉等)传输信号。
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