《電子技術(shù)應(yīng)用》
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Wi-Fi信號(hào)放大器加強(qiáng)升級(jí)版
摘要: 普通用來架設(shè)無線網(wǎng)的路由器使用全向天線發(fā)送和接收信息包,這些信號(hào)以相同的強(qiáng)度向各個(gè)方向發(fā)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(hào)集中在一個(gè)特定的方向,雖然犧牲了其他方向的信號(hào)...
Abstract:
Key words :

  

  這個(gè)制作的要點(diǎn)在于制作一個(gè)免費(fèi)的Wifi波導(dǎo)天線(雖然需要一些自備材料),。

  普通用來架設(shè)無線網(wǎng)的路由器使用全向天線發(fā)送和接收信息包,這些信號(hào)以相同的強(qiáng)度向各個(gè)方向發(fā)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(hào)集中在一個(gè)特定的方向,,雖然犧牲了其他方向的信號(hào)強(qiáng)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(diǎn)在于,,僅弧形鋁皮焦點(diǎn)附近較小區(qū)域內(nèi),,信號(hào)才能得到增強(qiáng),,而且效果沒預(yù)期的那么明顯 。

  另外一種比較流行的做法是用一個(gè)漏勺,,在很多野外作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)會(huì)用到這種方法,,不過考慮到不是每個(gè)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(kuò)大廉價(jià)路由器的通訊范圍而設(shè)計(jì)的,,它是一個(gè)金屬制成的定向天線,可以用一個(gè)N型連接器通過同軸電纜連接到路由器本體,。

1 波導(dǎo)原理

  

 

  我們要做的金屬罐天線是一個(gè)引導(dǎo)電磁波向指定方向傳播的通道,,用專業(yè)名詞來說叫做波導(dǎo)。波導(dǎo)里,,電磁場(chǎng)只能以特定的模式存在,。那些最好的波導(dǎo)里只容許單獨(dú)一種模式,因?yàn)椴煌哪J皆诓▽?dǎo)中以不同的速度傳輸,,這會(huì)引起散射,,信號(hào)的脈寬會(huì)擴(kuò)展,使接收變得困難,。同時(shí)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(chǎng)(TE)和一種橫向磁場(chǎng)(TM)模式——圓形波導(dǎo)中的主要模式。

  首先拿TE11模式做個(gè)例子,,這種模式在圓形波導(dǎo)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位,。上面是波導(dǎo)的側(cè)視圖和饋線?;疑木匦问枪拮犹炀€,,小的綠色饋線里的中心導(dǎo)體伸入罐中。它離罐底四分之一駐波波長(zhǎng),,這會(huì)激發(fā)出TE11模式:圖中電場(chǎng)用紅色畫出,,而磁場(chǎng)用藍(lán)色繪制。

 

  現(xiàn)在假設(shè)你從罐形天線的底面而不是底部附近接入饋線,,這會(huì)激發(fā)和上面不同的另一種模式,。這叫做TM11模式,電場(chǎng)用紅色,,磁場(chǎng)用藍(lán)色表示,。

  2 參數(shù)計(jì)算

  就像上面說的,在波導(dǎo)天線中只希望激發(fā)單一的TE模式(這決定了需要采用從罐壁伸入饋線的設(shè)計(jì)),。對(duì)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??紤]日常使用的Wifi網(wǎng)絡(luò)的頻率,,大多數(shù)的802.11網(wǎng)絡(luò),,比如808.11b/g使用2.4GHz 頻 段,808.11n使用2.4和5GHz頻段,,但是長(zhǎng)距離傳輸時(shí)還是2.4GHz信號(hào)較強(qiáng),。為了簡(jiǎn)單起見,只考慮常用的頻帶在 2.412~2.462Ghz的808.11b/g無線網(wǎng)絡(luò),。對(duì)于這一頻帶需要在設(shè)計(jì)金屬罐天線時(shí)讓TE11模式在2.412GHz時(shí)即能激發(fā),,并且在 2.462GHz工作時(shí)仍不會(huì)激發(fā)TM01模式。

  想快速解決的話,,參考這個(gè)網(wǎng)頁,,里面有個(gè)在線計(jì)算器可以幫助你計(jì)算罐子直徑和饋線位置。

  在線計(jì)算器

  或者也可以拿出紙和筆開始計(jì)算:

  首先是罐子的合適直徑,。

  TE11模式會(huì)在f = 2.412GHz 》 f_cutoff = 2*c/(3.41*D)時(shí)被激發(fā),。

  TM01模式在 f = 2.462GHz 《 f_cutoff = 2*c/(2.61*D) 時(shí)不會(huì)被激發(fā)。

  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(jì)算饋線的位置,。
之前提到過,為了激發(fā)TE11模式,,饋線應(yīng)該安放在1/4波長(zhǎng)的位置,,而整個(gè)罐形天線的長(zhǎng)度是3/4波長(zhǎng)。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(zhǎng),,但是罐形天線內(nèi)部情況有些變化,這里的駐波波長(zhǎng)需要按照下式計(jì)算:

   

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

  最后,,當(dāng)我們從罐壁引入饋線時(shí),,伸入罐內(nèi)的金屬導(dǎo)體需要的長(zhǎng)度Lo為1/4波長(zhǎng)。

  

  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(shí)是一張無線網(wǎng)卡)

  ○ 合適大小的金屬罐(尺寸的選擇已經(jīng)在上面說了)

  ○ 將路由器連接到金屬罐的饋線,,以及相應(yīng)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(zhǎng)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(nèi)有其它東西,固定用的螺絲螺母盡量少,。

  5 性能測(cè)試

  

 

  這些數(shù)據(jù)通過安裝了Stumbler應(yīng)用程序的iPod Touch采集,,這個(gè)程序能顯示附近任何無線路由器的信號(hào)強(qiáng)度。測(cè)試結(jié)果里不包含單位,,因?yàn)樗皇莻€(gè)相對(duì)值,。觀察到的最大信號(hào)值是76,降到10以后信號(hào)源就不可見了,。

  這些數(shù)據(jù)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(shè)備干擾,但從這個(gè)基本的測(cè)試?yán)?,也可以看出一些地方?0米和70米)的信號(hào)有隨距離增加的趨勢(shì),,這和天線本身的設(shè)計(jì)有關(guān)。

  

  在長(zhǎng)距離測(cè)試?yán)?,信?hào)在100米外下降很快,,但在365米內(nèi)仍然高于10。這個(gè)結(jié)果是逐步遠(yuǎn)離路由器,,直到失去信號(hào)時(shí)測(cè)試出來的,。它的局限性很大,但仍不失為一個(gè)可借鑒的參考,。測(cè)試時(shí)走的是下山路,,并且信號(hào)即將消失的時(shí)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(huì)提高到1/4 英里,。

 6 改進(jìn)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(shí)可以試驗(yàn)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(gè)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(wǎng)卡作為天線的信號(hào)源,,觀察效果是否不同,。

  在天線前增加有源放大器。

  把兩個(gè)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(nèi)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(gè)能透過電磁波的絕緣蓋。

  使用兩個(gè)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(hào)。

 

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