一文学习天线增益

天线增益是天线知识结构中非常重要的一环，当然也是选择天线的重要参数之一。天线增益对于通信系统的运行质量也起着很大作用，一般来说，增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度，而在水平面上保持全向的辐射性能。

01-什么是天线增益：

天线在某一规定方向上的辐射功率通量密度与参考天线在相同输入功率时最大辐射功率通量密度的比值。增益单位为分贝（decibel）。分贝是对数尺度的测量单位，常用与表示测量值随着数量级变化的变化规律。在对数尺度上，增加+3dB约等于在线性尺度上x2。

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。

天线与对称振子相比较的增益用“dBd”表示；

天线与各向同性辐射器相比较的增益用“dBi”表示（3dBd = 5.15dBi）。

dBi 是相对于点源天线的增益，在各方向的辐射是均匀的；

dBd相对于对称阵子天线的增益dBi=dBd+2.15。

相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越远。一般地，GSM定向基站的天线增益为18dBi，全向的为11dBi。

i表示各向同性（isotropic），即任意的天线所发射的信号强度与各项同性天线（Isotropic Antenna）的比值。各向同性天线是一个理论天线，其在各方向上的信号强度相同。

需要注意以下几点：

（1） 如果不是特别标注，天线增益均是指最大辐射方向的增益；

（2） 同等条件下，增益越高，方向性越好，电波传播的距离越远，即覆盖的距离增加。但是波速宽度会压缩，波瓣越窄，从而导致覆盖的均匀性变差。

（3） 天线是无源器件，不能产生能量。天线增益只是将能量有效集中向某特定方向辐射或接受电磁波的能力。

02-天线增益的计算公式

我们可以从天线增益的定义中了解到，天线增益与天线方向图有密切的关系，主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。

• 2.4GHz 22dBi双极性/交叉极化MIMO抛物面天线

（1） 对于抛物面天线，可用以下公式近似计算其增益：

G（dBi）=10Lg{4.5×（D/λ0）^2}

D：抛物面直径；

λ0：中心工作波长；

4.5：经过统计的经验数据。

• 2.4 GHz 13 dBi双极性全向MIMO天线 - N型母头连接器

（2） 对于直立全向天线，也可用下面的公式近似计算：

G（dBi）=10Lg{2L/λ0}；

L：天线长度；

λ0：中心工作波长。

(3) 对于一般天线增益，可用近似计算公式：

03-增益与发射功率

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。

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，最好统一度量－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。

04-天线的方向图

在方向图（又称波瓣图）中，包含所需最大辐射方向的辐射波瓣叫天线主波瓣，也称天线波束。主瓣之外的波瓣叫副瓣或旁瓣、边瓣，主瓣相反方向上的旁瓣叫后瓣、尾瓣。

方向图是一个远场的概念，远场即为考察的辐射场的点与天线的距离，同波长相比是非常大的。此时，方向图的形状与辐射场点和天线的距离无关，只与空间角度相关。

由于天线方向图是空间角度（Θ,φ）的函数，在球坐标系呈现的是3D形式，因此有时我们主要考察两个主平面的天线方向图，就能够了解天线的关系辐射性能。

在线天线中，由于地面影响较大，都采用垂直面和水平面作为主平面。
在面天线中，则采用E平面和H平面作为两个主平面：
◈ E面（也叫电面）指天线的最大辐射方向与电场矢量所在的平面。
◈ H面（也叫磁面）指天线的最大辐射方向与磁场矢量所在的平面。
◈ E 面和 H 面是相互正交的。

对不同的用途，要求天线有不同的方向图。例如：

• 广播电视发射天线，移动通讯基站天线等，要求在水平面内为全向方向图，而在垂直面内有一定的方向性以提高天线增益。

• 对微波中继通讯、远程雷达、射电天文、卫星接收等用途的天线，要求为笔形波束方向图。

• 对搜索雷达、警戒雷达天线则要求天线方向图为扇形波束。

参考：

部分内容参考互联网。

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