自制長距離WIFI接收天線 & WIFI天線仿真

文檔標識符:DIY_WIFI_ANTENNA_T-D-P14

作者:DLHC

最後修改日期:2021.5.7

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 前言

    天線是一種變換器,它可以將傳輸線上傳播的導行波,變換成在無界媒介(通常是自由空間)中傳播的電磁波,或者進行相反的變換[1]。天線有“收”與“發”兩種功能,:將空間中的電磁波轉換爲天線中的電信號,收音機上可伸縮的鞭狀天線就屬於接收天線;:將天線中的電信號轉換爲在空間中傳播的電磁波,手機裏的微型天線(或微帶天線)就屬於發射天線(嚴格來說,手機裏的微型天線屬於發射/接收天線)。

    WIFI是基於IEEE 802.11標準的無線局域網技術[2]。在日常生活中,連接WIFI是實現無線上網的一種方式,使用者需要一臺內置WIFI網卡的設備(通常爲手機或個人計算機)以及連接到互聯網的WIFI發射器就能上網。這一過程中,有三個關鍵環節影響你的上網體驗:

     1.WIFI發射器的性能(發射功率、工作頻段、天線等):決定了它所發射的WIFI信號的強度

     2.周圍環境:決定了在空間中傳播的WIFI信號的衰減程度,城市中的WIFI信號傳播距離比開闊空間要短得多。

     3.WIFI網卡的性能。WIFI網卡由兩部分組成:微帶天線與射頻集成電路;微帶天線儘可能地將環境中的WIFI信號轉換爲電信號,射頻集成電路對天線中的電信號進行解調等一系列複雜的操作直到得到原始的WIFI信號,讓你可以上網。

    在上述的三個環節中,微帶天線雖然體積小,但它並不適用於長距離接收WIFI信號(除非接收條件特別理想,但這幾乎不可能)。並且,對於WIFI信號接收者而言,改進天線更具可操作性。故本文將介紹一種工作在2.4GHz頻段的WIFI長距離接收天線

    這種“無名”的天線(見圖0.0)首次出現在YOUTUBE上,最初是由一個俄羅斯人介紹的一種遠距離WIFI接收天線,並且他在視頻中表示該天線的接收距離非常遠(一般的手機可以探測到50~100m範圍內的WIFI熱點,但是該天線可以“捕獲”1km外的WIFI熱點)。隨後,這種天線在國內“爆紅”,並有不少的人對其進行了仿製,並驗證了該遠距離WIFI接收天線的可行性。

圖0.0-遠距離WIFI接收天線實物(來源於互聯網)

 

機械結構

     本文將介紹的WIFI天線由以下七個部分組成:

     1.帶螺紋的金屬柱:用於固定銅片。

     2.銅片:通過金屬螺母固定到帶螺紋的鐵柱上,就像燒烤一樣。

     3.射頻連接器:將天線連接到同軸電纜。

     4.同軸電纜(可選):通過射頻連接器將天線與WIFI網卡進行連接。

     5.WIFI網卡:通過WIFI天線連接到熱點,讓你可以通過WIFI進行上網。

     6.USB延長線(可選):讓你可以將WIFI天線放在信號良好的地方。

     7.絕緣支架或磁鐵(可選):讓你可以將WIFI天線更方便的固定在信號良好的地方。

    對應的材料清單:

     1.帶螺紋的鐵柱:長190mm,直徑main wire thin[3] = 4mm。

     2.銅片:直徑37mm*3、直徑38mm*1、直徑54mm*1、直徑68mm*1、直徑100mm*1,厚度plane_thin[4] = 0.25mm。

     3.射頻連接器:SMA母頭*1(SMA連接器有着較小的插入損耗,且適用於2.4GHz頻段)。

     4.同軸電纜:特徵阻抗爲50歐姆,長度5cm左右,一邊爲SMA公頭(連接天線的那一端),另一邊取決於WIFI網卡的天線輸入接口類型。

     5.WIFI網卡:支持2.4G頻段(或同時支持2.4G與5G頻段),接口爲USB的WIFI網卡,且含有天線接口(最好爲SMA接口)。

     6.USB延長線:1m~2m(長度取決於天線到電腦的距離),一邊爲母頭,另一邊爲公頭。

     7.絕緣支架或磁鐵:強力磁鐵若干和你可以找到的任何支架。

     WIFI天線的主體部分由帶螺紋的金屬柱配套的金屬螺母銅片以及射頻連接器組成,同軸電纜將WIFI天線與WIFI網卡進行連接(也可以用電線代替同軸電纜,但考慮到可拆卸性,建議使用帶接口的同軸電纜),絕緣支架或磁鐵用於固定天線,USB延長線用於遠距離連接到WIFI網卡(WIFI網卡同天線是放在一起的)。WIFI天線機械結構詳細參數見圖1.0.0、圖1.0.1與圖1.0.2,整體系統框圖見圖1.1。

    使用長的同軸電纜代替USB延長線也是可以的,但是要注意同軸電纜越長,信號在其中傳輸時的衰減越大,故不能使用太長的同軸電纜(如果你使用了太長的同軸電纜,並且信號衰減比較嚴重,可以考慮再加一個低噪聲放大器(LNA)),同時還要參考圖1.1--整體系統框圖,對天線做適當修改。相較於長的同軸電纜,USB延長線更好,因爲它使用了差分信號的傳輸方式,抗干擾能力強,並且價格相對便宜。

    製作完成後,將天線表面噴上噴漆,將整個天線套入塑料袋中(塑料袋幾乎不會對天線性能造成影響),可用於防水並延長天線壽命。

圖1.0.0-WIFI天線機械結構詳細參數(0)[5]

圖1.0.1-WIFI天線機械結構詳細參數(1)

圖1.0.2-WIFI天線機械結構詳細參數(2)

圖1.1-整體系統框圖

圖1.2-帶螺紋的金屬柱實物

圖1.3-銅片實物

圖1.4-射頻連接器實物(圖中爲SMA母頭)

圖1.5-同軸電纜實物

圖1.6-WIFI網卡實物

圖1.7-USB延長線實物

圖1.8-製作完成後的WIFI天線

 

天線仿真

    當天線的機械結構確定後,就可以使用仿真軟件對天線進行仿真。仿真軟件選擇了免費、簡單的4nec2軟件,軟件界面見圖2.0,關於它的介紹如下:The software Numerical Electromagnetics Code (NEC-2) has been developed in the 1970s in the Lawrence Livermore Laboratory in Livermore, California. It is based on a numerical solution of electromagnetic field integrals for thin, perfectly conducting wire segments using the Method of Moments (MoM)[6].

    在4nec2中對天線的結構進行輸入,就可以開始仿真。仿真中一共設置了5個變量,並且模擬了真實的地面環境和天線離地高度。變量如下:1.total hight = 2.5m[7];2.plane_thin = 0.25mm;3.x1 = 20mm;4.main wire thin = 4mm;5.wax wire core thin = 1mm[8];設置這些變量的目的在於後期優化天線的機械參數,以達到最佳性能。

    遠場仿真[9](自由空間,2.4GHz),方向圖見圖2.1[10],3D圖案見圖2.2。

    遠場仿真(真實地面,離地高度爲2.5m,2.4GHz),方向圖見圖2.3,3D圖案見圖2.4。

    近場仿真[11](真實地面),2D圖案見圖2.5,3D圖案見圖2.6。

    SWR[12]仿真(真實地面),曲線見圖2.7(仿真結果僅供參考)。

    阻抗仿真(真實地面),曲線見圖2.8(仿真結果僅供參考)。

    仿真結果分析:在方向圖的88°,天線增益達到了20.2dBi。這表明,在該天線的正前方(表現在方向圖的主瓣[13]區域)具有很強的信號接收能力。同時也表明,該天線的指向性很強,在使用過程中需要將該天線的正前方對準發射源才能達到最佳接收效果,也就意味着需要不斷地調整天線,直到達到最好的接收效果。仿真結果表示,在2.4GHz下,天線的電阻爲46 ohm,電抗爲-657ohm,傳輸線使用特徵阻抗爲50 ohm的同軸電纜。同時仿真結果表示,該天線的電壓駐波比在2.4GHz下爲188,表明大部分能量沒有輻射出去,如果使用該天線作爲發射天線,很可能導致發射機損壞,因爲大部分能量被反射回發射機。

圖2.0-4nec2軟件界面

圖2.1-遠場仿真(自由空間,2.4GHz)(方向圖)

圖2.2-遠場仿真(自由空間,2.4GHz)(3D圖案)

圖2.3-遠場仿真(真實地面,離地高度爲2.5m,2.4GHz)(方向圖)

圖2.4-遠場仿真(真實地面,離地高度爲2.5m,2.4GHz)(3D圖案)

圖2.5-近場仿真(真實地面)(2D圖案)

圖2.6-近場仿真(真實地面)(3D圖案)

圖2.7-SWR仿真(真實地面)(曲線)(仿真結果僅供參考)

 圖2.8-阻抗仿真(真實地面)(曲線)(仿真結果僅供參考)

 

開始動手

    1.在帶螺紋的長19cm的鐵柱上用馬克筆標註各銅片的位置,以方便安裝銅圓,見圖3.0。

    2.在大銅片上分別畫出直徑37mm*3、直徑38mm*1、直徑54mm*1、直徑68mm*1、直徑100mm*1的圓,並在圓的圓心進行標註。用剪刀將其裁剪下來,得到7個銅圓。使用鑽孔工具,在圓心鑽出可以套入鐵柱的洞,見圖3.1。

    3.按照WIFI天線機械結構即圖1.0,將各銅圓安裝進鐵柱相應位置,每個銅圓都要使用兩個金屬螺母固定(所有銅圓都要與鐵柱保持電氣連接,即不能使用膠水固定銅圓與鐵柱),見圖3.2。

    4.按照WIFI天線機械結構即圖1.0,在最後兩銅圓中相應位置鑽孔,插入SMA射頻連接器,分別焊接內芯與外部屏蔽層到相應的銅圓,見圖3.2.0、圖3.2.1、圖3.2.2、圖3.2.3。

    5.將WIFI網卡固定在最後一片銅圓上(WIFI網卡應與銅圓保持絕緣),使用同軸電纜將第4步的SMA接口與WIFI網卡上的射頻接口進行連接,見圖3.3。

    6.使用USB延長線將WIFI網卡(WIFI天線與WIFI網卡此時已合爲一體)與電腦相連,不斷移動WIFI天線,直到找到最好的信號接收區域。有的WIFI網卡需要安裝驅動才能使用,詢問你的賣家或在官網下載驅動。

    7.將WIFI天線固定在步驟6的區域,對WIFI天線進行噴漆(可選),使用一個塑料袋將天線完全罩住,此時所有步驟均已完成,見圖3.4。

    實際使用過程中,若信號不好,建議將WIFI天線放在樓頂等開闊的區域(若放樓頂,雷電天氣千萬不要使用!!這是基本常識)。定期維護天線,保持天線的最佳狀態。

圖3.0-用馬克筆標註後的鐵柱

圖3.1-7個加工好的銅圓(7個小矮人)

圖3.2-銅圓安裝進鐵柱後

圖3.2.0-最後兩銅圓中相應位置鑽孔後

圖3.2.1-插入SMA射頻連接器後

圖3.2.2-焊接內芯與外部屏蔽層後(1)

圖3.2.3-焊接內芯與外部屏蔽層後(2)

圖3.3-WIFI網卡固定在最後一片銅圓上並通過同軸電纜與天線連接

圖3.4-投入工作的WIFI天線

 

引用&註釋

[1] 張凱,COMSOL中的天線仿真

[2]百度百科,WIFI

[3]"main wire thin"是帶螺紋的金屬柱的直徑,是一個天線仿真變量。

[4]"plane_thin"是銅片厚度,是一個天線仿真變量。

[5]圖中的x1是一個天線仿真變量。

[6]Peter Knott,Wire Antenna Modelling with NEC-2.

[7]"total hight"是天線離地高度,是一個天線仿真變量。

[8]"wax wire core thin"是同軸電纜銅芯直徑,是一個天線仿真變量。

[9]遠場:遠離天線的場,又稱輻射場,因爲在該區域的輻射效果很強。

[10]dBi:天線增益的表述單位,其定量地描述一個天線把輸入功率集中輻射的程度,可用來衡量天線朝一個特定方向收發信號的能力。

[11]近場:靠近天線的場,又稱感應場,具有感應作用,也有一些輻射分量。

[12]SWR:駐波比,is a measure of impedance matching of loads to the characteristic impedance of a transmission line or waveguide.

[13]主瓣:位於天線方向圖上的最大輻射波束。

 

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    由於本人學識有限,如有錯誤,懇請指正,謝謝!

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