自制远距离WIFI接收天线 & WIFI天线仿真 & 自制铜片WIFI天线

文档标识符:DIY_WIFI_ANTENNA_T-D-P14

作者:DLHC

最后修改日期:2021.10.2

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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,: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;: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、天线性能等):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近得多。

     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,射频集成电路会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,但它并不适用于远距离接收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远距离接收天线

    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。

    但是你有没有想过这种天线为什么这么强?本文将尝试通过软件仿真的方式揭示其背后的原理。提示:全文较长,需耐心阅读。

图0.0-远距离WIFI接收天线实物(来源于互联网)

 

天线原理

     这种“无名”的天线本质上是一种八木-宇田天线(Yagi-Uda Antenna)(俗称“八木天线”),不同之处是此天线是由典型的Yagi天线(见图1.0)沿轴旋转360°得到。Yagi天线是由日本东北帝国大学的八木(H.Yagi)和宇田(S.Uda)于1926年发明的,这种构造不仅是可实现的,而且在甚高频(VHF)及超高频(UHF)中都占有相当重要的地位。Yagi天线的原理见图1.1。

图1.0-典型的Yagi天线

图1.1-Yagi天线示意图

 

机械结构

     本文将介绍的WIFI天线由以下个部分组成:

     1.带螺纹的金属柱:用于固定、支撑铜片。

     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,金属螺母见图2.7。

     3.射频转换接口:天线主体部分连接到WIFI网卡的桥梁。

     4.WIFI网卡:通过WIFI天线连接到热点,让你可以通过WIFI进行上网。

     5.USB延长线(可选):让你可以将WIFI天线放在信号良好的地方。

     6.绝缘支架或磁铁(可选):让你可以将WIFI天线更方便地固定在信号良好的地方,或者避免安装过程中的触电(关于触电,请看后文测试部分)。

    对应的材料清单:

     1.带螺纹的铁柱:长200mm,直径main wire thin[3] = 4mm,见图2.2。

     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] = 0.8mm,见图2.3。

     3.射频转换接口:SMA弯头-内螺内孔转外螺内针*1(SMA连接器有着较小的插入损耗,且适用于2.4GHz频段),见图2.4。

     4.WIFI网卡:支持2.4G频段(最好同时支持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公头接口),见图2.5和图2.6。

     5.USB延长线:5m~10m(长度取决于天线到电脑的距离),一边为母头,另一边为公头,见图2.8。

     6.绝缘支架或磁铁:强力磁铁若干和你可以找到的任何绝缘的支架。

     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转换接口组成。射频转换接口将WIFI天线与WIFI网卡进行连接(也可以用电线代替射频转换接口,但考虑到可拆卸性,建议使用射频转换接口),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(注意: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2.0.0、图2.0.1与图2.0.2,整体系统框图见图2.1。

    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2.1-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USB的物理层使用了差分信号传输方式,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),并且可以防水并延长天线寿命。完成后的天线见图2.9。

图2.0.0-WIFI天线机械结构详细参数(0)[5]

图2.0.1-WIFI天线机械结构详细参数(1)

图2.0.2-WIFI天线机械结构详细参数(2)(注:此图参考SMA接口馈电位置即可,其他参数与本文有矛盾之处)

图2.1-整体系统框图(图中的同轴电缆在本教程中用不上)

图2.2-带螺纹的金属柱实物

图2.3-铜片实物

图2.4-射频转换接口实物(图中为SMA弯头-内螺内孔转外螺内针)

图2.5-WIFI网卡实物(1,本体)

图2.6-WIFI网卡实物(2,射频接口为公头)

图2.7-金属螺母

图2.8-USB延长线实物

图2.9-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3.0,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3.1[10],3D图案见图3.2。

    远场仿真(真实地面,离地高度为2.5m,2.4GHz),方向图见图3.3,3D图案见图3.4。

    近场仿真[11](真实地面),2D图案见图3.5,3D图案见图3.6。

    SWR[12]仿真(真实地面),曲线见图3.7(仿真结果仅供参考)。

    阻抗仿真(真实地面),曲线见图3.8(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 46ohm,电抗为 -657ohm,传输线应使用特征阻抗为 50ohm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3.0-4nec2软件界面

图3.1-远场仿真(自由空间,2.4GHz)(方向图)

图3.2-远场仿真(自由空间,2.4GHz)(3D图案)

图3.3-远场仿真(真实地面,离地高度为2.5m,2.4GHz)(方向图)

图3.4-远场仿真(真实地面,离地高度为2.5m,2.4GHz)(3D图案)

图3.5-近场仿真(真实地面)(2D图案)

图3.6-近场仿真(真实地面)(3D图案)

图3.7-SWR仿真(真实地面)(曲线)(仿真结果仅供参考)

 图3.8-阻抗仿真(真实地面)(曲线)(仿真结果仅供参考)

 

开始动手制作

    1.在带螺纹的长20cm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4.0。

    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4.1。

    3.按照WIFI天线机械结构即图2.0,将各铜圆安装进铁柱的相应位置,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,不能使用胶水固定铜圆与铁柱),见图4.2。

    4.按照WIFI天线机械结构即图2.0,在最后两铜圆中相应位置钻孔,插入SMA射频转换接口,分别焊接内芯与外部屏蔽层到相应的铜圆,见图4.3.0、图4.3.1、图4.3.2、图4.3.3、图4.3.4、图4.3.5、图4.3.6。

    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),将第4步的SMA射频转换接口与WIFI网卡上的射频接口进行连接,见图4.4。

    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。

    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,可能导致雷击)。定期维护天线,保持天线的最佳状态。

图4.0-用马克笔标注后的铁柱

图4.1-七个加工好的铜圆

图4.2-铜圆安装进铁柱后

图4.3.0-两铜圆中相应位置钻孔后(1)

图4.3.1-两铜圆中相应位置钻孔后(2)

图4.3.2-SMA射频转换接口(1)

图4.3.3-SMA射频转换接口(2)

图4.3.4-插入SMA射频转换接口后

图4.3.5-焊接内芯与外部屏蔽层后(1)

图4.3.6-焊接内芯与外部屏蔽层后(2)

图4.4-WIFI网卡固定在最后一片铜圆上并与天线通过射频接口连接

 

一些测试 

    初步测试:将天线插入WIFI网卡后,通过USB延长线将其接入台式计算机,手接触到天线导电的部分时会触电(计算机机箱漏电所导致)。相比手机,使用此天线搜索到的WIFI热点更多信号更强(手机上是2格信号,用了这个天线后有3格信号)。

 

    测试一(条件:馈电端使用机械连接,接触电阻较大,使用笔记本的USB端口)

        天线电压:万用表负电极悬空:-20mV~-550mV

                        万用表负电极通过水管接地:-10.8V~-11V(2021.7.28:没有参考意义)

        相同条件下搜索热点数(粗略估计):手机:34个

                                                             WIFI枪:45个

        相比手机信号提升(粗略估计):2格

 

    测试二(条件:馈电端使用焊接技术连接,接触电阻小,使用笔记本的USB端口)

        天线电压:万用表负电极悬空:-0.85V~-0.96V

                        万用表负电极通过水管接地:-10.86V~-11V(2021.7.28:没有参考意义)

        相同条件下搜索热点数(粗略估计):手机:27个

                                                             WIFI枪:48个

        相比手机信号提升(粗略估计):2格

 

    测试三(条件:机箱接地)

         触摸天线导电部分是否触电:否

 

结论

    此天线可以接收到更远距离的WIFI热点(看得远),同时可以“放大”WIFI热点的信号强度(看得清),并且制作简单。

    由于机箱漏电导致人体接触到天线导电部分的“触电”现象,可以通过给机箱接地解决。同时馈电点的连接方式不当会产生较大的接触电阻(甚至开路),建议使用焊接工艺或导电树脂连接。

 

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SMA弯头-内螺内孔转外螺内针接口中的内针直径,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。

 

声明

    本文未经DLHC允许,禁止转载。DLHC保留所有权利。

    天线仿真部分内容可能存在疏漏、不严谨的地方,仅供参考。

    由于本人学识有限,如有错误,恳请指正,谢谢!

posted @ 2021-05-07 17:23  DLHC  阅读(11096)  评论(0编辑  收藏  举报