自制USB无线网卡天线

信号不稳定,你能惬意地靠在沙发上享受无线网络?

网络覆盖范围小,你只能提着笔记本电脑在一个狭小的区域“移动”。

在使用无线网络的时候,你肯定会遇到或即将遇到这些令人不爽的问题。解决这些问题,除了减少遮挡物、减少同频段设备的干扰外,最有效的方法就是更换高增益的天线了,用天线加强无线网络的传输效果、覆盖范围。然而,购买无线增益天线需要掏出不少银子,可能花费上百元甚至上千元的费用。

“鱼与熊掌”都想兼得的我们,是否能找到两全其美的办法呢?对于DIY迷来说,这个问题是非常简单、也非常有趣的,因为在家里,很多日用品、甚至废弃物都可以作为制作无线天线的材料。当然,人人都可动手制作无线天线……

基础不可无: 增益天线工作原理

别急于下手制作,动手制作之前,我们还得了解一下无线增益天线的基本工作原理。只有有了一定的理论基础,我们才能制作出效果极佳的天线。

关键词:抛物面、焦点

对于增益天线工作原理较为通俗的说法就是:在现有天线周围放置规则的金属抛物面,使天线位于抛物面的内反射焦点处,通过电磁波反射在焦点处形成能量集中,从而增强电磁信号的收发,实现在特定方向增强信号。

制作简单的增益天线的关键就在于找到比较规则的金属抛物面和计算抛物面的焦点位置。金属抛物面并不一定要求用金属板,也可以是网状、栅栏状金属材料。焦点位置的确定需要根据所选抛物面的形状来计算。

计算公式:F=D×D/16H (m)

其中,D为抛物面的直径,H为抛物面的深度,单位为m。

考虑到存在一定误差,因此可以用更简单的估算公式进行计算,即F=0.3D~0.4D。

在一个简单的Wi-Fi无线网络中,包括无线路由器或无线AP,以及无线网卡等。因此,要增强无线信号的传输效率,要从增加无线路由器或无线AP天线的收发增益和无线网卡收发增益两个方面入手。

接下来,就让我们来看看无线路由器或无线AP的增益天线的制作方法和无线网卡增益天线的制作方法。

易拉罐 变 无线路由器增益天线

提高无线设备之间的传输效率,首先要考虑增加无线路由器(无线AP)天线的增益,在不更换现有设备天线的情况下,最好的办法就是将现有天线改装为增益天线,以达到提高无线路由器(无线AP)天线收发效率的目的,进而提高传输距离和速率。

关键词:抛物面、焦点

制作材料:金属桶、原有无线路由器天线

辅助工具:剪刀或手锯、尺子、计算器、纸、笔

第一步,寻找材料

目前常见的无线路由器或无线AP的天线一般都是线型且竖直向上的,考虑到要做成这样的形状就需要寻找桶状的金属器皿,材料不必太坚硬以便根据情况进行切割,也不要太沉重以免增加固定的难度。

不过,聪明的你可能马上就会想到牛奶桶、手机包装桶、易拉罐等,这些都是制作无线路由器(无线AP)增益天线的好材料。

第二步,切割金属桶

根据无线路由器(无线AP)现有天线的长度和位置,将金属桶进行垂直切割,可以留下一个底面以方便固定。为了制作简单,建议直接使用材质较软的易拉罐,用剪刀将易拉罐剪为对称的两个部分,将侧面分为均等的两个部分(图1)。
《自制USB无线网卡天线》
第三步,计算焦点位置

直接套用上面介绍的公式即可,之后需要根据实际情况进行适当的移动,寻找最佳位置点。可以借助无线网卡自带的软件进行测量,选择好焦点后就可以进行固定。

第四步,固定金属桶

为了将切割好的金属桶充分起到在特定方向增加天线增益的作用,需要将线状天线均匀固定在金属桶的柱状抛物面的焦点处。选择好焦点位置之后,为了方便今后的使用,需要使金属桶与天线之间相对固定。固定的方法就可以充分发挥你的聪明才智了。总之使用非金属材料固定即可。图2就是使用胶带进行固定的效果图。
《自制USB无线网卡天线》
经过以上四步的制作之后,一个最简易的无线路由器(无线AP)的增益天线就制作好了,将天线朝向无线网卡所在的位置,马上检测一下效果如何吧。

方法总结:这种方法就是根据我们上面介绍的制作增益天线的基本原理,将无线路由器(无线AP)的原有天线改装为效果更好的增益天线,关键之处就是自己一定要选择好合适的金属抛物面材料,计算好抛物面焦点,其特点是简单、零成本。

漏勺 变 无线网卡增益天线

如果无线路由器或无线AP不适合加装增益天线,那么我们该如何增加无线信号的传输距离和效率呢?显然,只有给无线网卡增加增益天线了。下面笔者以USB无线网卡为基础元件,介绍一下如何制作无线网卡增益天线。

关键词:抛物面、焦点、支架

制作材料:金属抛物面、USB无线网卡

辅助工具:手锯、尖头钳子、橡胶管、USB连接线、尺子、计算器、纸、笔

第一步,寻找材料

首先寻找有规则抛物面的金属器具,那么你会想到什么呢?很快你就会想到家里的铁锅,但是铁锅质量较重且不适合固定和安装,也不美观。好在,我们的祖先在千年以前就为我们发明了制作增益天线的好物件“漏勺”(图3),是不是有点疑问?马上你就知道它除了可以用来捞饺子和面条,还能用来制作增益天线。
《自制USB无线网卡天线》
第二步,准备工具

制作过程中可能用到的工具有手锯、尖头钳子、橡胶管以及USB连接线等。手锯是用于将漏勺把锯掉或让它长短合适。尖头钳子则用于在漏勺中心为橡胶管剪一个合适的缺口(图4)。橡胶管的作用就是根据焦点的距离将USB接头固定在漏勺上;而USB连接线就是为了将无线网卡与电脑连接起来。
《自制USB无线网卡天线》
当然,你还是要准备好一把尺子,如果必要也需要纸、笔和计算器,以测量和计算焦点位置。

第三步,计算焦点位置

确定了焦点位置才可以确定胶皮管的长度,才能固定胶皮管和无线网卡。

采用上面所介绍的焦点计算公式即可计算出焦点距离漏勺底部中心(胶皮管安放处)的长度,要注意的是要考虑USB网卡的长度,因为USB无线网卡的天线是内置的,USB网卡的内部结构和内置天线位置如图5所示
《自制USB无线网卡天线》
打开USB无线网卡,内置天线就位于左侧白色位置。这样只要保证USB无线网卡的底部位于焦点位置即可,如果USB无线网卡本身长度不够,则需要用胶皮管来支撑USB无线网卡。

第四步,固定USB无线网卡

在确定焦点位置之后,就可以对USB无线网卡进行固定了。一定要注意测量好USB网卡的长度和胶皮管的长度,二者连接后的长度之和应等于计算好的焦点距离(图6)。
《自制USB无线网卡天线》
第五步,为天线制作支架

可以使用漏勺原来的竹板作为支撑,不过每次使用都需要找合适的位置固定,这种情况下就需要给天线制作一个支架,做一个三脚支架就很牢固。材料可以任意选择,只要支架材料与漏勺天线绝缘即可。例如,可以使用三只竹筷子做成一个支架,当然你也可以奢侈一点,用废旧的照相机的三脚架来做支架(图7)。
《自制USB无线网卡天线》
经过以上五个步骤,一个超酷的USB无线网卡增益天线就制作成功了,使用USB连接线与你的电脑相连,你就可以体验自制增益天线给你带来的“快感”了。

方法总结:这种方法也是根据我们所介绍的制作增益天线的基本原理,将USB无线网卡的原有天线改装为效果更好的增益天线,关键也在于要选择合适的金属抛物面材料,计算好抛物面焦点,其特点是效果显著、简单、零成本,是从末端增强无线信号收发效果的最佳解决方案。

怎么样,你已经快变成一个无线天线的DIY迷了吧,强烈的动手欲望肯定召唤着你立刻动手。不过,还是要善意的提醒你,自制无线增益天线的稳定性和可靠性都不一定能够达到市场上的成品天线所具备的效果。但是,有动手制作一个无线增益天线的经历,也是很值得骄傲的,至少你通过制作过程,充分了解了增益天线的工作原理,说不定你就可以制作出一款极具创意、外形超酷,而且效果极佳的无线天线。

 

 

 

无线电通信天线增益的计算
2008-01-14 09:55
增益是指:在输入功率相等的条件下,实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益显然与天线方向图有密切的关系,方向图主瓣越窄,副瓣越小,增益越高。   可以这样来理解增益的物理含义 —— 为在一定的距离上的某点处产生一定大小的信号,如果用理想的无方向性点源作为发射天线,需要 100W 的输入功率,而用增益为 G = 13 dB = 20 的某定向天线作为发射天线时,输入功率只需 100 / 20 = 5W 。换言之,某天线的增益,就其最大辐射方向上的辐射效果来说,与无方向性的理想点源相比,把输入功率放大的倍数。

   半波对称振子的增益为 G=2.15dBi。4 个半波对称振子沿垂线上下排列,构成一个垂直四元阵,其增益约为 G=8.15dBi( dBi 这个单位表示比较对象是各向均匀辐射的理想点源 )。

   如果以半波对称振子作比较对象,其增益的单位是 dBd 。

   半波对称振子的增益为 G=0dBd (因为是自己跟自己比,比值为 1 ,取对数得零值。)垂直四元阵,其增益约为 G=8.15 – 2.15=6dBd 。

天线增益的若干计算公式

   1)天线主瓣宽度越窄,增益越高。对于一般天线,可用下式估算其增益:
       G(dBi)=10Lg{32000/(2θ3dB,E×2θ3dB,H)}
       式中, 2θ3dB,E与2θ3dB,H分别为天线在两个主平面上的波瓣宽度;
       32000 是统计出来的经验数据。

   2)对于抛物面天线,可用下式近似计算其增益:
       G(dBi)=10Lg{4.5×(D/λ0)2}
       式中, D 为抛物面直径;
       λ0为中心工作波长;
       4.5 是统计出来的经验数据。

   3)对于直立全向天线,有近似计算式
       G(dBi)=10Lg{2L/λ0}
       式中, L 为天线长度;
       λ0 为中心工作波长;

关于天线的db, dBi,dBd等单位

   有些朋友往往比较容易混淆这些单位,dB取的都是以对数值为基础的。

   (1)dB,这单纯是一个相对值,也就是说A比B的值的对数。常常用于说A比B高或低多少dB, 但是单独说A的增益是多少dB,是不合理的,因为我们不知道B是什么。只是我们许多同好有时为了简省就口头说多少dB了,但这样是不够确切的,不过常常也就将错就错,默认理解为dBi吧,要么您就再问问清楚。

   (2)dBd,这是有标准参考值的,即B规定为自由空间的半波偶极子天线,这样A与B的值比起来就有来统一的参照物,您告诉同好这个天线10dBd,他就明白您的天线比半波偶极子天线在主辐射方向上能聚集10倍的能量,即好10倍。

   (3)dBi,这个单位的含义相对复杂了点,但是它最能表达实际环境情况的比值单位,这里参照物B是以点源振子(实际不存在此物,可以看作是相对波长很短的一小段振子,或叫微分段吧),在标准的定义中这个点源振子应该是理想球状的全方向性辐射,这时与dBd就有一定的数学关系了, 即 1dBd=2.14dBi。 然而实际上绝大多数的天线都会受安装高度的影响,其中最重要的就是地面影响,由于地面的镜像作用,常常使波束形状改变,在某些方向常常会高出2-5dB。到这里您应该明白19dBi了吧。 许多正规的天线产家常常喜欢用dBi来标天线的增益值,他们通常都会表明安装高度或对标出数值的计算方法,或者他所生产的就是大家通常知道的安装环境,如车顶载天线,往往省略说明。

发射功率与增益
  
   无线电发射机输出的射频信号,通过馈线(电缆)输送到天线,由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后,由天线接收下来(仅仅接收很小很小一部分功率),并通过馈线送到无线电接收机。因此在无线网络的工程中,计算发射装置的发射功率与天线的辐射能力非常重要。

   Tx是发射(Transmits)的简称。无线电波的发射功率是指在给定频段范围内的能量,通常有两种衡量或测量标准:

   功率(W) - 相对1瓦(Watts)的线性水准。

   增益(dBm) - 相对1毫瓦(Milliwatt)的比例水准。

   两种表达方式可以互相转换:

       dBm = 10 x log[ 功率 mW]
       mW = 10 [ 增益 dBm / 10 dBm]

   在无线系统中,天线被用来把电流波转换成电磁波,在转换过程中还可以对发射和接收的信号进行“放大”,这种能量放大的度量成为 “增益(Gain)”。 天线增益的度量单位为“dBi”。

   由于无线系统中的电磁波能量是由发射设备的发射能量和天线的放大叠加作用产生,因此度量发射能量最好同一度量-增益(dB),例如,发射设备的功率为100mW ,或 20dBm;天线的增益为10dBi,则:

       发射总能量=发射功率(dBm)+天线增益(dBi)
                 = 20dBm + 10dBi
                 = 30dBm

   或者:        = 1000mW
                 = 1W

   在“小功率”系统中每个dB都非常重要,特别要记住“3dB法则”。

   每增加或降低3dB,意味着增加一倍或降低一半的功率:

                 -3 dB = 1/2 功率
                 -6 dB = 1/4 功率
                 +3 dB = 2x 功率
                 +6 dB = 4x 功率

   例如,100mW的无线发射功率为20dBm,而50mW的无线发射功率为17dBm,而200mW的发射功率为23dBm。

 

 

我们这里电信ADSL上网,900元包年,并不便宜;有朋友希望能与我共享宽带分担费用,何乐而不为。但他与我家隔窗向望,两栋楼的距离,30多米,因小区不便架线,只好选择无线上网。 到电脑城本来想买便宜的TP-Link无线路由器的,但经不住商家的热情推荐,正好遇上SMC的54Mbps无线路由器降价,于是花了320+210(网卡)买了回来,想一想TP-Link的包装盒上写的室外400米室内100米,我这款比它好,区区30米,还不小菜。
回到家兴冲冲安装完毕。才发现没有信号,显示数据链路0%极差,信号强度10%极差,霎时犹如冷水浇头,热情全无,那个心凉啊!
这不过是30米加两堵墙啊,没办法只好将我的路由器放在窗户上,那边电脑也靠近窗边,终于有了一点信号,可以上网了,不过那速度叫个慢呀!并且总不能将我的路由器长期放在窗户外呀,得想办法将其天线延长到窗外才行。
怎么办?放狗搜,终于发现做定向天线是个好办法;说干就干,我用空奶罐做了两个。怎么做的?很简单,看图吧!一图顶千言。看看图你就知道怎么做

 

《自制USB无线网卡天线》

 

了。图1 装上天线的样子 。
材料:天线接头:2对,这玩艺不好买,还挺贵,开价8块钱一个,说是镀金的,还到5元,花了20块。
馈线:专用高频同轴电缆,这也不好买,我至今未买到。也好贵,网上问过,竟要8元/米。没办法,只好用组网用的细缆线代替,但有网友说会增加高频损耗。所以馈线应尽可能的短。网友原话“但只要损耗小于室内的空传损耗,那你还是“赚了”。
空奶罐:或其它类似的罐子,网上还有人用易拉罐做,但我觉得易拉罐的反射面实在是太小了。
木衣夹和支架:自己想办法吧!
放置:当天线竖直时,电磁波在水平方向上的辐射最大。所以两天线应平行放置,要横都横,要竖都竖。
效果测试:

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《自制USB无线网卡天线》
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《自制USB无线网卡天线》

图3是网卡天线插入奶罐后并仔细调整奶罐方向后的截图,可以看出信号强度一下子提高了40%。真是立竿见影,并且很稳定。tx速率稳定在36M,可以直接在线看电影了。
但是,当我这边的路由器天线也插入奶罐时,信号强度并未明显增加,仔细调整两天线的方向也没什么效果。不知为什么?而如果两天线反射面没对准的话,信号强度则大幅下降。
值得一提的是:在此之前,我们曾试过在天线上部用长约1米的铜丝绕了3圈后引出窗外;也试过用抽掉内芯的闭路75欧电缆,将屏蔽层套入天线30mm左右,另一端甩出窗外;都收到了较好的效果,信号强度最好时能达到50%,只是不易调整,天线的位置和摆放都会有影响;不好的时候,10%都不到,不太稳定。当然如果有读者想省事,这也是一种方法。



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