設(shè)計(jì)無極限，Wi-Fi信號放大器加強(qiáng)升級版

　　這個制作的要點(diǎn)在于制作一個免費(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，這些信號以相同的強(qiáng)度向各個方向發(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。

　　而定向天線的信號集中在一個特定的方向，雖然犧牲了其他方向的信號強(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漏勺，在很多野外作業(yè)現(xiàn)場會用到這種方法，不過考慮到不是每個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)大廉價路由器的通訊范圍而設(shè)計(jì)的，它是一個金屬制成的定向天線，可以用一個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，這會引起散射，信號的脈寬會擴(kuò)展，使接收變得困難。同時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（TE）和一種橫向磁場（TM）模式——圓形波導(dǎo)中的主要模式。

　　首先拿TE11模式做個例子，這種模式在圓形波導(dǎo)中占據(jù)優(yōu)勢地位。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，這會激發(fā)出TE11模式：圖中電場用紅色畫出，而磁場用藍(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，這會激發(fā)和上面不同的另一種模式。這叫做TM11模式，電場用紅色，磁場用藍(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，但是長距離傳輸時還是2.4GHz信號較強(qiáng)。為了簡單起見，只考慮常用的頻帶在 2.412~2.462Ghz的808.11b/g無線網(wǎng)絡(luò)。對于這一頻帶需要在設(shè)計(jì)金屬罐天線時讓TE11模式在2.412GHz時即能激發(fā)，并且在 2.462GHz工作時仍不會激發(fā)TM01模式。

　　想快速解決的話，參考這個網(wǎng)頁，里面有個在線計(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模式會在f = 2.412GHz 》 f_cutoff = 2*c/（3.41*D）時被激發(fā)。

　　TM01模式在 f = 2.462GHz 《 f_cutoff = 2*c/（2.61*D） 時不會被激發(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波長的位置，而整個罐形天線的長度是3/4波長。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，但是罐形天線內(nèi)部情況有些變化，這里的駐波波長需要按照下式計(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，伸入罐內(nèi)的金屬導(dǎo)體需要的長度Lo為1/4波長。

　　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，這個程序能顯示附近任何無線路由器的信號強(qiáng)度。測試結(jié)果里不包含單位，因?yàn)樗皇莻€相對值。觀察到的最大信號值是76，降到10以后信號源就不可見了。

　　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，但從這個基本的測試?yán)?，也可以看出一些地方?0米和70米）的信號有隨距離增加的趨勢，這和天線本身的設(shè)計(jì)有關(guān)。

　　在長距離測試?yán)?，信號?00米外下降很快，但在365米內(nèi)仍然高于10。這個結(jié)果是逐步遠(yuǎn)離路由器，直到失去信號時測試出來的。它的局限性很 大，但仍不失為一個可借鑒的參考。測試時走的是下山路，并且信號即將消失的時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)卡作為天線的信號源，觀察效果是否不同。

　　在天線前增加有源放大器。

　　把兩個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能透過電磁波的絕緣蓋。

　　使用兩個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。