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Wi-Fi信号放大天线

Wi-Fi信号放大器 Wi-Fi信号不够强怎么办?

叶子疏 发表于  2011-11-18 12:52
/gkimage/ls/k4/p3/lsk4p3.png
DIYer: John Sandora,Nathaniel Meierpolys,Gregory Rehm,
制作时间: 一天
制作难度: ★★☆☆☆
GEEK指数: ★★★☆☆

这个制作的要点在于制作一个免费的Wifi波导天线(虽然需要一些自备材料)。

普通用来架设无线网的路由器使用全向天线发送和接收信息包,这些信号以相同的强度向各个方向发送。比较悲剧的一件事是普通路由器的天线不算给力,范围也不过50到100英尺。

而定向天线的信号集中在一个特定的方向,虽然牺牲了其他方向的信号强度,但在需要的方向上可以获得更大的通信距离。

网上也曾有过制作wifi信号放大器的介绍,比如下图:

/gkimage/0u/hh/43/0uhh43.png/gkimage/nq/v4/om/nqv4om.png/gkimage/vs/7a/9m/vs7a9m.png/gkimage/fi/6t/kd/fi6tkd.png

但此种放大器的缺点在于,仅弧形铝皮焦点附近较小区域内,信号才能得到增强,而且效果没预期的那么明显

另外一种比较流行的做法是用一个漏勺,在很多野外作业现场会用到这种方法,不过考虑到不是每个人手上都有闲置的漏勺,所以还是推荐这种用罐子的方法。

我们今天介绍的这种金属罐天线是为了扩大廉价路由器的通讯范围而设计的,它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。

 

1   波导原理

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  • 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。
  • 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。
 
/gkimage/3t/dp/kj/3tdpkj.png/gkimage/ym/73/sw/ym73sw.png
  • 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。

 

想快速解决的话,参考这个网页,里面有个在线计算器可以帮助你计算罐子直径和馈线位置。

在线计算器

 

或者也可以拿出纸和笔开始计算:

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:
/gkimage/9j/qa/l0/9jqal0.png

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。
 

3   所需材料

/gkimage/u9/fg/0d/u9fg0d.png
○ 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

/gkimage/wx/gp/k8/wxgpk8.png
  • 把各种罐子整理干净。
 
/gkimage/q1/5e/24/q15e24.png/gkimage/8y/1x/gv/8y1xgv.png
  • 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。
 
/gkimage/ls/k4/p3/lsk4p3.png
  • 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。
 

5   性能测试

/gkimage/b7/8r/e9/b78re9.png
  • 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。
 
/gkimage/hq/d0/qi/hqd0qi.png
  • 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

/gkimage/vu/hd/88/vuhd88.png
 

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。
 

本文是根据以下三篇文章重新改写的:

 

7   DIYer签到处

 
编辑: 秦皇汉武

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全部评论(182)
  • 31楼
    2011-11-18 16:01 森林木牛

    这个筒子做出来很像数字卫星天线那大锅上的高频头,莫非用的是相同原理?

    [0] 评论
  • 32楼
    2011-11-18 16:11 大碗凉的快

    这么强!

    [0] 评论
  • 33楼
    2011-11-18 16:12 biaomate

    和以前那个电视信号接收器差不多的!

    [0] 评论
  • 34楼
    2011-11-18 16:28 安某人

    diy都是好青年啊。这个可以码一下

    [0] 评论
  • 35楼
    2011-11-18 16:46 腹黑能猫

    看起来不错!也挺好弄!! 不过有个问题 我的均线路由器有三根天线... TP LINK的 我应该弄哪根呢?

    [0] 评论
  • 36楼
    2011-11-18 16:54 loesprite

    无限AP端信号可能有增强效果,但是笔记本电脑的无线功率没有改变,无线AP很可能收不到笔记本电脑发出的信号。所以,我怀疑,增强效果应该很不明显。

    [0] 评论
  • 37楼
    2011-11-18 17:20 肥鱼13号

    这个...

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  • 38楼
    2011-11-18 17:30 None

    发送定向,接收也定向。也就是更灵敏了。
    想想手机。

    引用@loesprite 的回应:无限AP端信号可能有增强效果,但是笔记本电脑的无线功率没有改变,无线AP很可能收不到笔记本电脑发出的信号。所以,我怀疑,增强效果应该很不明显。
    [0] 评论
  • 39楼
    2011-11-18 17:47 greenswong

    微波技术学的不好。所以,先留名。

    [0] 评论
  • 40楼
    2011-11-18 17:51 gdsgds
    引用@-sunchild 的回应:笔记本肿么办??

    看所需材料那,3厘米刻度处有个ipx接头,买上2~3个这样的接头就能把笔记本的天线从笔记本分离出来。当然,再接什么样的就看你了。我的接了sma头。前几天刚买了一个带指向性的2.4GHz平板天线,通过sma再一接,这样天线就长很多。

    但馈线的长度与信号的损失成正比,这个度依然要靠自己来衡量了。

    什么?你嫌麻烦?
    那好,笔记本还有套简便的增大办法,花10~20元(不包含快递)买一个质量可靠的usb延长线,再去找个卡皇之类的usb无线网卡,一接,把驱动一装信号也能好不少。但效果和geek的乐趣远不如前者。

    [0] 评论
  • 41楼
    2011-11-18 18:11 Gooney
    引用@loesprite 的回应:无限AP端信号可能有增强效果,但是笔记本电脑的无线功率没有改变,无线AP很可能收不到笔记本电脑发出的信号。所以,我怀疑,增强效果应该很不明显。

    同感,我觉得可以改造一个usb无线网卡(可以拆卸天线的那种),这样电脑的发射信号也可以增强了,但是本本上面插个奶粉罐确实很拉风,到自修室自习肯定回头率百分百~

    [0] 评论
  • 42楼
    2011-11-18 18:15 秦皇汉武
    引用@loesprite 的回应:无限AP端信号可能有增强效果,但是笔记本电脑的无线功率没有改变,无线AP很可能收不到笔记本电脑发出的信号。所以,我怀疑,增强效果应该很不明显。

    这和用户的使用习惯有关。用户使用wifi上网的时候,下行流量一般远大于上行流量,也就是说,我们电脑终端下载的数据量远远多于上载的数据量。AP使用定向天线,使得用户下载数据的速率大大增加,虽然上载数据(也就是用户向AP发包的速率)没有改善,但综合来看,上网总体速率改善还是很明显的~

    [0] 评论
  • 43楼
    2011-11-18 18:16 秦皇汉武
    引用@Gooney 的回应:
    同感,我觉得可以改造一个usb无线网卡(可以拆卸天线的那种),这样电脑的发射信号也可以增强了,但是本本上面插个奶粉罐确实很拉风,到自修室自习肯定回头率百分百~

    解释同上,当然你如果把你的本本天线也改装成定向的,速率会进一步提高,但即使不做这个改装,上网速率也是有明显提升的~

    [0] 评论
  • 44楼
    2011-11-18 18:32 yangff

    用网桥不好吗?

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  • 45楼
    2011-11-18 19:22 托马斯_豆

    最近正在研究这个问题,用纸壳贴金属箔做个圆筒可以么?

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  • 46楼
    2011-11-18 20:24 vividlee

    用的是学校的公共无线网。。。
    不过回家可以试试

    [0] 评论
  • 47楼
    2011-11-18 20:35 初入道道

    妈呀~太有才了

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  • 48楼
    2011-11-18 21:09 东方不赢

    用个网络还得备个易拉罐,万一让收破烂的捡走了就悲剧了

    [0] 评论
  • 49楼
    2011-11-18 21:14 尽可能说人话
    引用@秦皇汉武 的回应:
    解释同上,当然你如果把你的本本天线也改装成定向的,速率会进一步提高,但即使不做这个改装,上网速率也是有明显提升的~


    唉……真是想当然……WIFI通信中,在数据链路层就要求双向通信成立。如果只有A能收到B的信号,而B收不到A的信号,链接根本无法建立。这和什么上下行带宽有什么关系么?这又不是广播电台或者电视台,根本无需用户回传数据的模型。

    这种天线的意义,在于减少了加天线这一端丢失信号的几率,从而提升了联通能力。

    [0] 评论
  • 50楼
    2011-11-18 21:20 尽可能说人话
    引用@腹黑能猫 的回应:看起来不错!也挺好弄!! 不过有个问题 我的均线路由器有三根天线... TP LINK的 我应该弄哪根呢?


    三根天线的,乃至更多根天线的,是使用多入多出技术的路由器,原本目的就是为了增加有效的通信距离。原理简单说就是提高信噪比从而提升距离。如果要改天线,随便改那根都可以,不过这样实际上就破坏了原有的作用机制,总体下来,到底是更好还是更差,难说。

    [0] 评论
  • 51楼
    2011-11-18 21:27 秦皇汉武
    引用@胡说的权力 的回应:

    唉……真是想当然……WIFI通信中,在数据链路层就要求双向通信成立。如果只有A能收到B的信号,而B收不到A的信号,链接根本无法建立。这和什么上下行带宽有什么关系么?这又不是广播电台或者电视台,根本无需用户回传数据的模型。

    这种天线的意义,在于减少了加天线这一端丢失信号的几率,从而提升了联通能力。

    你是说三次握手神马的吗...wifi的协议是802.11,需不需要三次我手之类的我不知道,你如果知道可以告诉我,或者可以去查一下。但通信肯定是双向的,如果A能给B发包,B不能给A发包,肯定不能完成通信,通俗的说网肯定不通。但是在AB间可以互相发包的情况下,由于A给B发的包数量大,对速率的需求大,那么我们增加B接收到A的信号的强度,是有益的。

    [0] 评论
  • 52楼
    2011-11-18 21:32 上海西南某高校技工

    应该分析一下饼干罐 咖啡罐 薯片罐的不同之处 形状 材质 厚度 等等 最好能给出个“好天线”的标准 便于选择合适的制作材料

    [0] 评论
  • 53楼
    2011-11-18 21:34 秦皇汉武
    引用@胡说的权力 的回应:

    三根天线的,乃至更多根天线的,是使用多入多出技术的路由器,原本目的就是为了增加有效的通信距离。原理简单说就是提高信噪比从而提升距离。如果要改天线,随便改那根都可以,不过这样实际上就破坏了原有的作用机制,总体下来,到底是更好还是更差,难说。

    三根天线得分情况。有的比较先进的路由器的确使用的是你说的多入多出技术(MIMO),那么你说的是对的。但有的无线路由器三根天线是有明确分工的:一根负责接收包,一根负责发送包,一根负责监听信道,如果是这种,就得弄清楚哪一根是负责发包的,然后进行改装。你是从事通信相关职业的么?

    [0] 评论
  • 54楼
    2011-11-18 22:33 晨风dicka

    当初电磁场与微波没学好,惭愧啊。矩形波导、圆波导什么的都忘光了~

    [0] 评论
  • 55楼
    2011-11-18 22:56 maydays81
    引用@虫可语冰 的回应:看了第一副图,我以为是要用柴油桶的。

    嗯,若是用柴油桶加以改装,不知距离能传布多远

    [0] 评论
  • 56楼
    2011-11-18 23:10 Yangholmes
    引用@aptx4869 的回应:
    英制公制夹杂是有点乱

    最好用国际单位制中的主单位,计算起来方便~~~

    [0] 评论
  • 57楼
    2011-11-19 01:14 南七

    买个蹭网卡,解决一切问题

    [0] 评论
  • 58楼
    2011-11-19 03:47 尽可能说人话
    引用@秦皇汉武 的回应:
    你是说三次握手神马的吗...wifi的协议是802.11,需不需要三次我手之类的我不知道,你如果知道可以告诉我,或者可以去查一下。但通信肯定是双向的,如果A能给B发包,B不能给A发包,肯定不能完成通信,通俗的说网肯定不通。但是在AB间可以互相发包的情况下,由于A给B发的包数量大,对速率的需求大,那么我们增加B接收到A的信号的强度,是有益的。


    不是指三次握手,三次握手是TCP协议的事情,那是在第四层发生的事情,而WIFI通信实际在第二层,也就是数据链路层就需要同步SSID等信息。这个你可以随便找一本无线局域网通信方面的书,应该都会有介绍。

    就无线通讯而言,增大任何一方的增益或者功率,对整个通信质量都是有提升的,这点毫无疑问,在之前的贴中我已经解释了,单独增加一方的增益或者功率,只能解决对端信号丢失的问题,然而这至少降低了一半的出错几率,所以无疑是能够提升通信距离和性能的。然而这和两点间不同方向的数据传输量基本没有直接关系。

    一个存在的间接关系是这样的:假设A到B的传输量巨大,那么A到B的传输时间也较长,而在较长的传输周期内,发生错误从而降低通信可靠性的几率也就会增大,所以如果可以提升A到B的信噪比,降这个几率降低,理论上的确会因此而提升通信性能。

    [0] 评论
  • 59楼
    2011-11-19 04:02 尽可能说人话
    引用@秦皇汉武 的回应:
    三根天线得分情况。有的比较先进的路由器的确使用的是你说的多入多出技术(MIMO),那么你说的是对的。但有的无线路由器三根天线是有明确分工的:一根负责接收包,一根负责发送包,一根负责监听信道,如果是这种,就得弄清楚哪一根是负责发包的,然后进行改装。你是从事通信相关职业的么?


    呃,你说的第二种设备,我印象中没看到过。这种设计当然是可行的,不过有些多余,事实上一根天线完全可以承载这三个功能(其中的二三实际上是一个功能——就天线而言)所以通常的工业设计上,极少见到因为这种目的而使用三根天线的。

    市面上的多天线产品,其目的都是通过相位差和多径效应来提升信噪比,从而达到在发射功率不变(因为这个是受政策法令限制的)的情况下,提升有效通信距离的目的。

    双天线产品,这个目的只体现在接收上,所以对网卡没有特殊的要求。而三天线以上的产品,想要达到提升信噪比的目的,就需要网卡端也支持,否则和双天线产品是一样的。

    最初的MIMO只能提升通信距离。不过现在很多厂家都有自己的解决方案,可以在更近的距离内提供更大的带宽。其实说白了无非是在整个直序列扩频的频段内玩个波分复用而已。自然,这个同样需要网卡端支持才可以。

    最后回答你对我职业的提问。我是做IT框架咨询的,所以对IT技术的各个方向都需要保持关注,并尽快理解其优劣势,然后综合的分析其在实际项目中的用途和价值。

    [1] 评论
  • 60楼
    2011-11-19 04:05 尽可能说人话
    引用@maydays81 的回应:
    嗯,若是用柴油桶加以改装,不知距离能传布多远


    这个天线的大小,只取决于你需要发射的那个频率的波长,并不是越大越好。而是合适就好。

    [0] 评论

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叶子疏
叶子疏 微电子专业硕士研究生,DIY爱好者

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