天线增益原理

天线增益原理

一、什么是增益天线

作为增益天线的基本属性，在一般情况下，增益的强弱将影响到天线辐射或接收无线信号的能力。也就是说，在同等条件下，增益越高，无线信号传播距离就越远。增益的单位为dBi，室内天线大多为4dBi～5dBi，室外天线大多为8.5dBi～14dBi。

通常情况下，由于增益的大小与无线带宽成反比，即增益越大，其带宽就越窄；增益越小，带宽则较大。因此，较大增益的天线主要用于远距离传输，而小增益天线则更适合于无线信号大覆盖范围的应用环境。目前在无线网络应用中，天线分为点对点应用、点对多点应用两种，用户可根据不同的应用范围选择不同类型的无线天线，使无线信号能够顺利地被各个无线设备接收和发送。

二、天线增益的作用

天线增益是指：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。天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，它是选择基站天线最重要的参数之一。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。天线增益对移动通信系统的运行质量极为重要，因为它决定蜂窝边缘的信号电平。增加增益就可以在一确定方向上增大网络的覆盖范围，或者在确定范围内增大增益余量。任何蜂窝系统都是一个双向过程，增加天线的增益能同时减少双向系统增益预算余量。

三、天线增益的原理

可以这样来理解增益的物理含义：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 。

四、天线增益分析

为了比较天线接收信号的能力优劣。把无方向性的半波振子天线(其方向为两个圆）的灵敏度定位0db，相比之下，灵敏度高方向性好的天线就出现了增益。

理想的全向天线的增益定义为1，实际上所谓理想的全向天线在现实世界是不存在的，但是在此理想的条件下，可以很容易计算出在空间的微波功率分布情况。与发射功率相同的一个实际的天线的最大辐射指向位置测得的功率相比，就可以得出天线的增益。

天线的增益和有源电路的增益是有根本区别的。

天线增益的测量.

测试设备为信号源，频谱仪或其他信号接收设备和点源辐射器。

1．先用理想（当然是近似理想）点源辐射天线，加入一功率；然后再距离天线一定的位置上，用频谱仪或接收设备测试接收功率。测得的接收功率为P1 2．换用被测天线，加入相同的功率，在同样的位置上重复上述测试，测得接收功率为P2;

3．计算增益：G=10Lg(P2/P1)

就这样，得到了天线的增益。

五、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；

六、天线增益与信号增益之间的关系

计算线路及天线下的输出功率，用功率作单位时，考虑线路放大器级联和天线增益，总的放大倍数是各级相乘；而用分贝做单位时，总增益就是相加。例如一个信号经过发射装置的增益为10db，天线增益为5db，那么总增益就为15db。

七、主流天线详解

在诸多不同类型的天线中，全向天线和定向天线的使用频率非常高。

全向天线

所谓全向天线，是指在水平面上辐射与接收无最大方向的天线。由于辐射与接收无方向性，所以此类天线安装起来比较方便，不需要考虑传输点的天线安装角度问题。不过全向天线没有最大方向，它的天线增益相对较低，这就导致无线信号的传输距离较短。因此，这类天线一般比较适合在传输距离要求不太高的点对多点通信环境使用。例如，在对等网络和无线漫游网络的中心无线AP上使用此类天线，通过中心无线AP，可以均匀地将无线信号传输到网络中的各个角落。

定向天线

定向天线的方向性较强，因此能量集中，增益相对较高，信号的传输距离比较远，抗干扰能力比较强，更适合于远距离点对点通信。有优点也有缺点，定向天线的缺点在它的信号覆盖范围较小，天线在安装和调整时的难度较大，两个传输点的天线必须相互对准才能保证信号的传输。