設計無(wú)極限，Wi-Fi信號放大器加強升級版

　　這個(gè)制作的要點(diǎn)在于制作一個(gè)免費的Wifi波導天線(xiàn)（雖然需要一些自備材料）。

　　普通用來(lái)架設無(wú)線(xiàn)網(wǎng)的路由器使用全向天線(xiàn)發(fā)送和接收信息包，這些信號以相同的強度向各個(gè)方向發(fā)送。比較悲劇的一件事是普通路由器的天線(xiàn)不算給力，范圍也不過(guò)50到100英尺。

　　而定向天線(xiàn)的信號集中在一個(gè)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(shuō)的那種放大器的缺點(diǎn)在于，僅弧形鋁皮焦點(diǎn)附近較小區域內，信號才能得到增強，而且效果沒(méi)預期的那么明顯 。

　　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)現場(chǎng)會(huì )用到這種方法，不過(guò)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(xiàn)是為了擴大廉價(jià)路由器的通訊范圍而設計的，它是一個(gè)金屬制成的定向天線(xiàn)，可以用一個(gè)N型連接器通過(guò)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(xiàn)是一個(gè)引導電磁波向指定方向傳播的通道，用專(zhuān)業(yè)名詞來(lái)說(shuō)叫做波導。波導里，電磁場(chǎng)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(huì )引起散射，信號的脈寬會(huì )擴展，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中占據優(yōu)勢地位。上面是波導的側視圖和饋線(xiàn)?；疑木匦问枪拮犹炀€(xiàn)，小的綠色饋線(xiàn)里的中心導體伸入罐中。它離罐底四分之一駐波波長(cháng)，這會(huì )激發(fā)出TE11模式：圖中電場(chǎng)用紅色畫(huà)出，而磁場(chǎng)用藍色繪制。

　　現在假設你從罐形天線(xiàn)的底面而不是底部附近接入饋線(xiàn)，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)用藍色表示。

　　2 參數計算

　　就像上面說(shuō)的，在波導天線(xiàn)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(xiàn)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?？紤]日常使用的Wifi網(wǎng)絡(luò )的頻率，大多數的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(cháng)距離傳輸時(shí)還是2.4GHz信號較強。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，只考慮常用的頻帶在 2.412~2.462Ghz的808.11b/g無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。對于這一頻帶需要在設計金屬罐天線(xiàn)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(huà)，參考這個(gè)網(wǎng)頁(yè)，里面有個(gè)在線(xiàn)計算器可以幫助你計算罐子直徑和饋線(xiàn)位置。

　　在線(xiàn)計算器

　　或者也可以拿出紙和筆開(kāi)始計算：

　　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(lái)說(shuō)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(xiàn)能否工作的硬性限制。

　　接下來(lái)我們需要計算饋線(xiàn)的位置。

　　之前提到過(guò)，為了激發(fā)TE11模式，饋線(xiàn)應該安放在1/4波長(cháng)的位置，而整個(gè)罐形天線(xiàn)的長(cháng)度是3/4波長(cháng)。在開(kāi)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(cháng)，但是罐形天線(xiàn)內部情況有些變化，這里的駐波波長(cháng)需要按照下式計算：

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

　　最后，當我們從罐壁引入饋線(xiàn)時(shí)，伸入罐內的金屬導體需要的長(cháng)度Lo為1/4波長(cháng)。

　　3 所需材料

　　○ 一小段粗銅線(xiàn)

　　○ 一些螺絲和螺母

　　○ 帶有外接天線(xiàn)接口的路由器（這次用的其實(shí)是一張無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡）

　　○ 合適大小的金屬罐（尺寸的選擇已經(jīng)在上面說(shuō)了）

　　○ 將路由器連接到金屬罐的饋線(xiàn)，以及相應的連接座

　　● 一些固定工具（比如三腳架，用來(lái)固定天線(xiàn)的朝向）

　　4 組裝天線(xiàn)

　　把各種罐子整理干凈。

　　在粗銅線(xiàn)上切下一段長(cháng)度為1/4 ，約1.23英寸的銅線(xiàn)。

　　把這段銅線(xiàn)焊接在N型連接器的芯柱上。

　　從罐底量出正確的饋線(xiàn)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(guò)安裝了Stumbler應用程序的iPod Touch采集，這個(gè)程序能顯示附近任何無(wú)線(xiàn)路由器的信號強度。測試結果里不包含單位，因為它只是個(gè)相對值。觀(guān)察到的最大信號值是76，降到10以后信號源就不可見(jiàn)了。

　　這些數據在物理系門(mén)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(gè)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(xiàn)本身的設計有關(guān)。

　　在長(cháng)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(gè)結果是逐步遠離路由器，直到失去信號時(shí)測試出來(lái)的。它的局限性很 大，但仍不失為一個(gè)可借鑒的參考。測試時(shí)走的是下山路，并且信號即將消失的時(shí)候和天線(xiàn)之間的視線(xiàn)被樹(shù)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)可以試驗一下。

　　讓同軸電纜可以方便地在不同的金屬罐天線(xiàn)之間切換。

　　或許如上圖一樣，在金屬罐天線(xiàn)的開(kāi)口添加一個(gè)喇叭口可以收集更多的電磁波。

　　分別用無(wú)線(xiàn)路由器和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡作為天線(xiàn)的信號源，觀(guān)察效果是否不同。

　　在天線(xiàn)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(xiàn)內壁。也許原先的罐體涂些油防銹就足夠好了。還有問(wèn)題是或許可以加個(gè)能透過(guò)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(lái)繞開(kāi)物體（建筑物，山脈等）傳輸信號。