文档标识符：DIY_WIFI_ANTENNA_T-D-P14
作者：DLHC
最后修改日期：2021.5.7
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前言
天线是一种变换器，它可以将传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介(通常是自由空间)中传播的电磁波，或者进行相反的变换[1]。天线有“收”与“发”两种功能，收：将空间中的电磁波转换为天线中的电信号，收音机上可伸缩的鞭状天线就属于接收天线；发：将天线中的电信号转换为在空间中传播的电磁波，手机里的微型天线(或微带天线)就属于发射天线(严格来说，手机里的微型天线属于发射/接收天线)。
WIFI是基于IEEE 802.11标准的无线局域网技术[2]。在日常生活中，连接WIFI是实现无线上网的一种方式，使用者需要一台内置WIFI网卡的设备(通常为手机或个人计算机)以及连接到互联网的WIFI发射器就能上网。这一过程中，有三个关键环节影响你的上网体验：
1.WIFI发射器的性能(发射功率、工作频段、天线等)：决定了它所发射的WIFI信号的强度。
2.周围环境：决定了在空间中传播的WIFI信号的衰减程度，城市中的WIFI信号传播距离比开阔空间要短得多。
3.WIFI网卡的性能。WIFI网卡由两部分组成：微带天线与射频集成电路；微带天线尽可能地将环境中的WIFI信号转换为电信号，射频集成电路对天线中的电信号进行解调等一系列复杂的操作直到得到原始的WIFI信号，让你可以上网。
在上述的三个环节中，微带天线虽然体积小，但它并不适用于长距离接收WIFI信号(除非接收条件特别理想，但这几乎不可能)。并且，对于WIFI信号接收者而言，改进天线更具可操作性。故本文将介绍一种工作在2.4GHz频段的WIFI长距离接收天线。
这种“无名”的天线(见图0.0)首次出现在YOUTUBE上，最初是由一个俄罗斯人介绍的一种远距离WIFI接收天线，并且他在视频中表示该天线的接收距离非常远(一般的手机可以探测到50~100m范围内的WIFI热点，但是该天线可以“捕获”1km外的WIFI热点)。随后，这种天线在国内“爆红”，并有不少的人对其进行了仿制，并验证了该远距离WIFI接收天线的可行性。
图0.0-远距离WIFI接收天线实物(来源于互联网)
机械结构
本文将介绍的WIFI天线由以下七个部分组成：
1.带螺纹的金属柱：用于固定铜片。
2.铜片：通过金属螺母固定到带螺纹的铁柱上，就像烧烤一样。
3.射频连接器：将天线连接到同轴电缆。
4.同轴电缆(可选)：通过射频连接器将天线与WIFI网卡进行连接。
5.WIFI网卡：通过WIFI天线连接到热点，让你可以通过WIFI进行上网。
6.USB延长线(可选)：让你可以将WIFI天线放在信号良好的地方。
7.绝缘支架或磁铁(可选)：让你可以将WIFI天线更方便的固定在信号良好的地方。
对应的材料清单：
1.带螺纹的铁柱：长190mm，直径main wire thin[3] = 4mm。
2.铜片：直径37mm*3、直径38mm*1、直径54mm*1、直径68mm*1、直径100mm*1，厚度plane_thin[4] = 0.25mm。
3.射频连接器：SMA母头*1(SMA连接器有着较小的插入损耗，且适用于2.4GHz频段)。
4.同轴电缆：特征阻抗为50欧姆，长度5cm左右，一边为SMA公头(连接天线的那一端)，另一边取决于WIFI网卡的天线输入接口类型。
5.WIFI网卡：支持2.4G频段(或同时支持2.4G与5G频段)，接口为USB的WIFI网卡，且含有天线接口(最好为SMA接口)。
6.USB延长线：1m~2m(长度取决于天线到电脑的距离)，一边为母头，另一边为公头。
7.绝缘支架或磁铁：强力磁铁若干和你可以找到的任何支架。
WIFI天线的主体部分由带螺纹的金属柱、配套的金属螺母、铜片以及射频连接器组成，同轴电缆将WIFI天线与WIFI网卡进行连接(也可以用电线代替同轴电缆，但考虑到可拆卸性，建议使用带接口的同轴电缆)，绝缘支架或磁铁用于固定天线，USB延长线用于远距离连接到WIFI网卡(WIFI网卡同天线是放在一起的)。WIFI天线机械结构详细参数见图1.0.0、图1.0.1与图1.0.2，整体系统框图见图1.1。
使用长的同轴电缆代替USB延长线也是可以的，但是要注意同轴电缆越长，信号在其中传输时的衰减越大，故不能使用太长的同轴电缆(如果你使用了太长的同轴电缆，并且信号衰减比较严重，可以考虑再加一个低噪声放大器(LNA))，同时还要参考图1.1--整体系统框图，对天线做适当修改。相较于长的同轴电缆，USB延长线更好，因为它使用了差分信号的传输方式，抗干扰能力强，并且价格相对便宜。
制作完成后，将天线表面喷上喷漆，将整个天线套入塑料袋中(塑料袋几乎不会对天线性能造成影响)，可用于防水并延长天线寿命。
图1.0.0-WIFI天线机械结构详细参数(0)[5]
图1.0.1-WIFI天线机械结构详细参数(1)
图1.0.2-WIFI天线机械结构详细参数(2)
图1.1-整体系统框图
图1.2-带螺纹的金属柱实物
图1.3-铜片实物
图1.4-射频连接器实物(图中为SMA母头)
图1.5-同轴电缆实物
图1.6-WIFI网卡实物
图1.7-USB延长线实物
图1.8-制作完成后的WIFI天线
天线仿真
当天线的机械结构确定后，就可以使用仿真软件对天线进行仿真。仿真软件选择了免费、简单的4nec2软件，软件界面见图2.0，关于它的介绍如下：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中对天线的结构进行输入，就可以开始仿真。仿真中一共设置了5个变量，并且模拟了真实的地面环境和天线离地高度。变量如下：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]；设置这些变量的目的在于后期优化天线的机械参数，以达到最佳性能。
远场仿真[9](自由空间，2.4GHz)，方向图见图2.1[10]，3D图案见图2.2。
远场仿真(真实地面，离地高度为2.5m，2.4GHz)，方向图见图2.3，3D图案见图2.4。
近场仿真[11](真实地面)，2D图案见图2.5，3D图案见图2.6。
SWR[12]仿真(真实地面)，曲线见图2.7(仿真结果仅供参考)。
阻抗仿真(真实地面)，曲线见图2.8(仿真结果仅供参考)。
仿真结果分析：在方向图的88°，天线增益达到了20.2dBi。这表明，在该天线的正前方(表现在方向图的主瓣[13]区域)具有很强的信号接收能力。同时也表明，该天线的指向性很强，在使用过程中需要将该天线的正前方对准发射源才能达到最佳接收效果，也就意味着需要不断地调整天线，直到达到最好的接收效果。仿真结果表示，在2.4GHz下，天线的电阻为46 ohm，电抗为-657ohm，传输线使用特征阻抗为50 ohm的同轴电缆。同时仿真结果表示，该天线的电压驻波比在2.4GHz下为188，表明大部分能量没有辐射出去，如果使用该天线作为发射天线，很可能导致发射机损坏，因为大部分能量被反射回发射机。
图2.0-4nec2软件界面
图2.1-远场仿真(自由空间，2.4GHz)(方向图)
图2.2-远场仿真(自由空间，2.4GHz)(3D图案)
图2.3-远场仿真(真实地面，离地高度为2.5m，2.4GHz)(方向图)
图2.4-远场仿真(真实地面，离地高度为2.5m，2.4GHz)(3D图案)
图2.5-近场仿真(真实地面)(2D图案)
图2.6-近场仿真(真实地面)(3D图案)
图2.7-SWR仿真(真实地面)(曲线)(仿真结果仅供参考)
图2.8-阻抗仿真(真实地面)(曲线)(仿真结果仅供参考)
开始动手
1.在带螺纹的长19cm的铁柱上用马克笔标注各铜片的位置，以方便安装铜圆，见图3.0。
2.在大铜片上分别画出直径37mm*3、直径38mm*1、直径54mm*1、直径68mm*1、直径100mm*1的圆，并在圆的圆心进行标注。用剪刀将其裁剪下来，得到7个铜圆。使用钻孔工具，在圆心钻出可以套入铁柱的洞，见图3.1。
3.按照WIFI天线机械结构即图1.0，将各铜圆安装进铁柱相应位置，每个铜圆都要使用两个金属螺母固定(所有铜圆都要与铁柱保持电气连接，即不能使用胶水固定铜圆与铁柱)，见图3.2。
4.按照WIFI天线机械结构即图1.0，在最后两铜圆中相应位置钻孔，插入SMA射频连接器，分别焊接内芯与外部屏蔽层到相应的铜圆，见图3.2.0、图3.2.1、图3.2.2、图3.2.3。
5.将WIFI网卡固定在最后一片铜圆上(WIFI网卡应与铜圆保持绝缘)，使用同轴电缆将第4步的SMA接口与WIFI网卡上的射频接口进行连接，见图3.3。
6.使用USB延长线将WIFI网卡(WIFI天线与WIFI网卡此时已合为一体)与电脑相连，不断移动WIFI天线，直到找到最好的信号接收区域。有的WIFI网卡需要安装驱动才能使用，询问你的卖家或在官网下载驱动。
7.将WIFI天线固定在步骤6的区域，对WIFI天线进行喷漆(可选)，使用一个塑料袋将天线完全罩住，此时所有步骤均已完成，见图3.4。
实际使用过程中，若信号不好，建议将WIFI天线放在楼顶等开阔的区域(若放楼顶，雷电天气千万不要使用！！这是基本常识)。定期维护天线，保持天线的最佳状态。
图3.0-用马克笔标注后的铁柱
图3.1-7个加工好的铜圆(7个小矮人)
图3.2-铜圆安装进铁柱后
图3.2.0-最后两铜圆中相应位置钻孔后
图3.2.1-插入SMA射频连接器后
图3.2.2-焊接内芯与外部屏蔽层后(1)
图3.2.3-焊接内芯与外部屏蔽层后(2)
图3.3-WIFI网卡固定在最后一片铜圆上并通过同轴电缆与天线连接
图3.4-投入工作的WIFI天线
引用&注释
[1] 张凯，COMSOL中的天线仿真
[2]百度百科，WIFI
[3]"main wire thin"是带螺纹的金属柱的直径，是一个天线仿真变量。
[4]"plane_thin"是铜片厚度，是一个天线仿真变量。
[5]图中的x1是一个天线仿真变量。
[6]Peter Knott，Wire Antenna Modelling with NEC-2.
[7]"total hight"是天线离地高度，是一个天线仿真变量。
[8]"wax wire core thin"是同轴电缆铜芯直径，是一个天线仿真变量。
[9]远场：远离天线的场，又称辐射场，因为在该区域的辐射效果很强。
[10]dBi：天线增益的表述单位，其定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度，可用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力。
[11]近场：靠近天线的场，又称感应场，具有感应作用，也有一些辐射分量。
[12]SWR：驻波比，is a measure of impedance matching of loads to the characteristic impedance of a transmission line or waveguide.
[13]主瓣：位于天线方向图上的最大辐射波束。
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