大功率WiFi天线.doc

大功率WiFi天线
大功率WiFi天线
锤子一把 钻头一把电烙铁和焊锡一小块铜片
天线的类型 基本上家用Wi-Fi信号增强天线共有两种类型,一种是普林格尔状天线,另一种是罐状天线.这两种天线都可以朝一个方向增大信号的强度,但是他们增大信号的原理则完全不同.
  在市场上所卖的信号增强天线大多数都是基于普林格尔状天线结构,它算是一种引向反射天线,它通常由多级天线组成.引向反射天线通常使用在频率单一的信号环境中.当信号在层叠的环状金属内不断的反射时就能增大信号的强度,并且信号反射的方向也将相当集中.普林格尔天线外形有点类似动画片里外星人的激光枪,它仅仅是在一根金属线上套上了几个反射信号的金属圆环.

如图1,这就是一个普林格尔桶状天线的内部结构.主体部分就是中间的那根粗粗的天线,其他是遍布在天线上的金属环.这些金属环可以让信号在内部多次反射, 从而增大信号的强度.所有的这些部件都要按照天线的摆放位置来设计,只有当摆放位置正确的时候,天线才能发挥出它最大的效能.如果说普林格尔天线仅仅是一个加了装饰的金属线,那么罐状天线则更像是一个胖墩墩的罐头盒.确切的说罐状天线属于一种波导天线.
如图2,这种罐头盒天线的尺寸小巧,电导率高,可以适应各种无线电频率信号.而且它的摆放位置也不是十分严格.这种天线的外形和尺寸都可以自己制定.信号的覆盖范围也非常广.
    小知识:波导,不是咱们平时用的那个手机牌子而是一种射频信号(RF射频)的传输通路.一般的低频信号可以使用铜线作为天线,例如你汽车上的无线电.而高 频的RF射频信号有时就采用这种波导的方式传送高能量,高频率的信号.在军事雷达领域通常就使用的是这种波导传送的方式.
    了解波导

    波导是一种微波信号的传输方式,它类似于一个同轴电缆.但与同轴电缆不同,波导在传递微波频率的时候几乎没有信号的损失.RF射频信号的能量一般都大于 60千兆赫兹,他们可以快速的穿越波导管道.波导信号的传输需要一些特殊构造的金属来充当天线,他们的外形和尺寸都非常特别.(如图3)

    通常波导天线都是矩形结构的,这些天线的制造和安装也都非常昂贵.因为天线是金属的,他们要求加工工艺非常精确,波导传输线的要求也非常严格.
    波导信号的发散形状非常有趣,它的样子就像电磁RF射频能量.这些具备二元性的电磁波的发散形状非常稳定,并且磁场波及范围非常广阔.在同轴线缆内,信号 是沿着线缆中的导体向外进行扩散.而在波导中,一部分信号被天线所阻挡、反射,最后所有的信号都径直朝向一个方向发散开来,其中的细节错综复杂.
    (如图4,波导信号的扩散路径)在这篇文章中,我就给你讲述一下在制作波导天线时的经验,这包括对于天线尺寸外形的要求,以及信号源和天线的放置地点等等.
    构建一个波导线是非常困难的,那需要专用的工业材料.然而我们仅仅需要较短距离的波导传输,波导线就可以使用一般的同轴电缆代替.而且民用Wi-Fi的信号对于天线的要求就更为宽松,天线也就可以制作的简单一些.
    波导天线的尺寸
    众所周知,波导天线的尺寸要与所传输信号的频率相匹配,因此波导天线需要特殊的尺寸.在当今的Wi-Fi无线网络环境中,我们使用的都是2.4GHZ的 波段.无线网络的这个波段被划分成14个频道.从Channel 01:2.412 GHz起步,每个频道递增0.005GHz.一般Wi-Fi无线网卡默认的是6频道,也就是2.437GHz的频率.我们要以6频道为准绳,制造出一架全 Wi-Fi频道的无线天线.对于这一波段内的天线有着严格的尺寸要求.为了保证Wi-Fi天线能够更好的工作,你需要尽可能的精确罐头盒的尺寸.

    如图5,给出了罐头盒的各部分的尺寸说明.有了这些尺寸你就可以去超市寻找合适的罐头盒了,一般很多大桶装的咖啡和牛奶罐头都是不错的选择.罐头盒周身最好是光滑的圆柱,不要有凹凸不平的波浪纹.
    直径最好在100mm,误差不要超出10%(90-110mm)
    长度约在123mm左右,误差不要超出10%
    信号源水平高度为24mm(波长的1/5)
    信号源偏移距离为27mm(大约是波长的7/32)
    小提示:计算波长的方法为300/2.437=123mm
    罐头盒的改造
    首先你要拿掉罐头盒的塑胶盖子,或者去掉罐头盒顶部的金属盖子.将盒中的咖啡或者奶粉取出.你要保证罐头盒边沿没有凹口,罐头盒本身是完整的.如果有凹口 你要尽量将凹口去除,保持罐头盒边沿的平滑.虽然咖啡和奶粉末对我们的信号影响不大,但是你也要将罐头盒内部都清理干净.这个罐子整理好之后应该像这样 子.如图6
    开凿一个孔洞
    我们要在罐头盒中放置一个信号源,在这里我们不谈那些复杂的计算方法,我只想告诉大家信号源的形状、大小、安放的位置都是极为重要的,请大家一定要注意这 些规格参数.对于Wi-Fi无线信号源我们也不是随意放置的.信号源与天线底部的那一小段距离被叫做偏移距离,一般来说这段距离应该是"封闭空间波长"的 1/4.对于各种频率信号来说,偏移的距离也各不一样.下面的表格就列出了在无线网络领域中1、6、11频道的偏移距离.
    信号源类型 频道信号频率直径为90 mm天线的偏移距离直径为100 mm天线的偏移距离直径为110 mm天线的偏移距离
    圆柱型或金属线型信号源 1 2.412 53 mm 45 mm42 mm
    圆柱型或金属线型信号源6 2.437 51 mm 44 mm 41 mm
      圆柱型或金属线型信号源11 2.462   50 mm  44 mm 40 mm
   楔型信号源6   2.437 29 mm  27 mm  26 mm
     在我们的这个长度为100mm内径的罐头盒中,偏移距离为27mm.你需要在距离罐头盒底部27mm的地方钻出一个孔洞用来放置信号源.如果你的罐头盒内 径不是100mm,那么你需要细心的计算出你自己的偏移距离.这个偏移的距离对最后网络信号的接收效果尤为重要.
    一旦确定了偏移距离,后面的工作就比较简单了.我们可以先用笔和尺子在罐头盒上标出钻孔的位置.需要注意的是,在测量距离的时候,不要理会罐头盒底部凸唇的距离,而是要以内壁的底部为准.如图
    在钻孔的时候你要注意,钻孔的直径要略大于同轴电缆N型连接头的直径.这样以后只要稍微用力,就能将同轴电缆的N型连接头压入罐子中.这里我使用了7mm的钻头.如图8

    同轴电缆的N型连接头有很多类型,具体哪一种类型并没有关系,你可以自己选择.在这篇文章中,我使用的是一种四周带四个螺丝孔的.这样我可以用螺丝将他们固定在罐头盒上.除了刚才钻的那个孔之外,我还在它四周钻了四个小孔.如图9
    选择合适的放射信号源
    信号源放射体的选择也是非常重要的.它将直接连接到同轴电缆内部的导体,它是信号扩散到空间中的最终的放射源.放射体可以有很多形状,对于波导信号来说不同形状的放射源也会产生不同的效能.一般常用的放射源有三种形状:圆柱体、楔型体、圆锥体.
    如图10
    圆锥型的放射源是最有效率的,但它的制作工艺要求非常严格,因此实现起来也是非常困难的.而圆柱体和楔型体制作起来就比较简单了.其中圆柱体的放射体制作 起来是最为简单的,你只需要找一根粗一点的铜导线就可以了.但是圆柱体的信号的适应频率和拓展范围也是最为狭窄的.如果你使用它来制作波导天线的话,最终 的信号效率将大打折扣.
    较之圆柱体来说楔型体放射源的制作会稍微复杂一些,但是它可以完全与Wi-Fi的信号频率相匹配.并且信号的效率也仅仅比圆锥体略逊一点而已.因为楔型体与圆锥体最为近似,他们的信号效率也就大致相当.
    放射源的长度也是比较重要的参数,下面的表格就罗列出了各种形状的放射源的长度与所能承载信号频率的匹配关系.
    放射源类型 频道信号频率  信号波长   放射源长度
    圆柱体或金属线  1  2.412   124 mm   31.0 mm
     圆柱体或金属线   6    2.437 123 mm    30.7 mm
    圆柱体或金属线  11 2.462 122 mm 30.5 mm
      楔型体或圆锥体6 2.437  123 mm 24.0 mm
    如表格所示,我们的楔型体放射源的长度应该为24mm.
    如图11,这是圆柱体与楔型体的长度示意图.
    圆柱型放射源的制作
    制作圆柱型放射源极为简单,只要找一个较粗的铜核心的同轴电缆就可以了.用钳子切断一节同轴电缆,使用刀片刨去外部的绝缘部分.再用尺子量出一段合适的距离.
    (如图12,长度为30.7mm)
    在一端用钳子夹扁,以便让它能更好的焊接在N型连接头上.如图13
    楔型体放射源的制作
    虽然楔型体放射源的制作并不复杂,但是也需要你掌握一定的焊接技术.要想涵盖所有的Wi-Fi频段,楔型体的底部需要有1mm的宽度,即它与N型连接头焊接的地方.它的顶端宽度要达到6mm.如图14
    你可以找一张铜片,然后用剪刀按照规格参数剪下一小片铜片作为放射源.如果铜片表面不够平整的话,你可以使用锤子在其表面反复击打整平.
    如图15,这是做好的楔型体放射源.
    组装罐头盒天线
    这是最后一步,让我们把所有的配件都组装在一起巴.首先,使用电烙铁,将楔型体放射源焊接在N型同轴电缆连接头上.注意
    焊锡要均匀平整,不能因中间连接了焊锡而改变楔型体的长度.如图16

    下一步,是将N型同轴电缆连接头插入罐头盒内部,将N型连接头的四角都拧上螺丝固定.如图17
    这里需要注意的是,楔型体放射源的表面要与罐头盒底部相平行.否则你的信号强度也会大打折扣.如图18
    最后,小心的拆开你的Wi-Fi 802.11x网卡,找到金属天线处然后用一根同轴电缆连接天线,将同轴电缆的另一端与N型同轴电缆连接头相连.在这里要尽量避免天线直接裸露,街头处尽量用同轴电缆内的屏蔽层覆盖.
    如图19大功告成这就是天线最后的样子.
    天线测试和总结
    在做好这个罐头盒天线之后,很多人都会发问,它究竟会对Wi-Fi无线网络信号带来多大的改善呢?你可以随我作一个小试验:将一台微波炉与我们做好的天线 放置在同一张写字台上,他们之间留有50mm的距离.在微波炉中放一杯水,开启微波炉直到水被煮沸.在水被加热的过程中,你要认真观察Wi-Fi无线网络 信号的变化.如果在这个过程当中你的网络信号没有衰减,那么就证明这个天线是非常成功的.在整个制作中一定要力求精细,每个规格参数都要力求精准,这样天 线才能发挥出最大功效.以后微波炉和手机再也不会干扰你的无线网络信号了.你觉得怎么样?还不赶快亲自动手作一个.