技術(shù)

無線電通信天線增益的計算方法

2014-08-11 來源：微波射頻網(wǎng) 字號：大中小

增益是指：在輸入功率相等的條件下，實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產(chǎn)生的信號的功率密度之比。它定量地描述一個天線把輸入功率集中輻射的程度。增益顯然與天線方向圖有密切的關(guān)系，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。

可以這樣來理解增益的物理含義 ------ 為在一定的距離上的某點處產(chǎn)生一定大小的信號，如果用理想的無方向性點源作為發(fā)射天線，需要 100W 的輸入功率，而用增益為 G = 13 dB = 20 的某定向天線作為發(fā)射天線時，輸入功率只需 100 / 20 = 5W 。換言之，某天線的增益，就其最大輻射方向上的輻射效果來說，與無方向性的理想點源相比，把輸入功率放大的倍數(shù)。

半波對稱振子的增益為 G=2.15dBi。4 個半波對稱振子沿垂線上下排列，構(gòu)成一個垂直四元陣，其增益約為 G=8.15dBi( dBi 這個單位表示比較對象是各向均勻輻射的理想點源 )。

如果以半波對稱振子作比較對象，其增益的單位是 dBd 。

半波對稱振子的增益為 G=0dBd （因為是自己跟自己比，比值為 1 ，取對數(shù)得零值。）垂直四元陣，其增益約為 G=8.15 – 2.15=6dBd 。

天線增益的若干計算公式

1）天線主瓣寬度越窄，增益越高。對于一般天線，可用下式估算其增益：

G（dBi）=10Lg{32000/（2θ3dB,E×2θ3dB,H）}

式中， 2θ3dB,E與2θ3dB,H分別為天線在兩個主平面上的波瓣寬度；

32000 是統(tǒng)計出來的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。

2）對于拋物面天線，可用下式近似計算其增益：

G（dBi）=10Lg{4.5×（D/λ0）2}

式中， D 為拋物面直徑；

λ0為中心工作波長；

4.5 是統(tǒng)計出來的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。

3）對于直立全向天線，有近似計算式

G（dBi）=10Lg{2L/λ0}

式中， L 為天線長度；

λ0 為中心工作波長；

關(guān)于天線的db, dBi，dBd等單位

有些朋友往往比較容易混淆這些單位，dB取的都是以對數(shù)值為基礎(chǔ)的。

(1)dB，這單純是一個相對值，也就是說A比B的值的對數(shù)。常常用于說A比B高或低多少dB, 但是單獨(dú)說A的增益是多少dB，是不合理的，因為我們不知道B是什么。只是我們許多同好有時為了簡省就口頭說多少dB了，但這樣是不夠確切的，不過常常也就將錯就錯，默認(rèn)理解為dBi吧，要么您就再問問清楚。

(2)dBd，這是有標(biāo)準(zhǔn)參考值的，即B規(guī)定為自由空間的半波偶極子天線，這樣A與B的值比起來就有來統(tǒng)一的參照物，您告訴同好這個天線10dBd,他就明白您的天線比半波偶極子天線在主輻射方向上能聚集10倍的能量，即好10倍。

(3)dBi，這個單位的含義相對復(fù)雜了點，但是它最能表達(dá)實際環(huán)境情況的比值單位，這里參照物B是以點源振子（實際不存在此物，可以看作是相對波長很短的一小段振子，或叫微分段吧），在標(biāo)準(zhǔn)的定義中這個點源振子應(yīng)該是理想球狀的全方向性輻射，這時與dBd就有一定的數(shù)學(xué)關(guān)系了，即 1dBd=2.14dBi。然而實際上絕大多數(shù)的天線都會受安裝高度的影響，其中最重要的就是地面影響，由于地面的鏡像作用，常常使波束形狀改變，在某些方向常常會高出2-5dB。到這里您應(yīng)該明白19dBi了吧。許多正規(guī)的天線產(chǎn)家常常喜歡用dBi來標(biāo)天線的增益值，他們通常都會表明安裝高度或?qū)?biāo)出數(shù)值的計算方法，或者他所生產(chǎn)的就是大家通常知道的安裝環(huán)境，如車頂載天線，往往省略說明。

發(fā)射功率與增益

無線電發(fā)射機(jī)輸出的射頻信號，通過饋線（電纜）輸送到天線，由天線以電磁波形式輻射出去。電磁波到達(dá)接收地點后，由天線接收下來（僅僅接收很小很小一部分功率），并通過饋線送到無線電接收機(jī)。因此在無線網(wǎng)絡(luò)的工程中，計算發(fā)射裝置的發(fā)射功率與天線的輻射能力非常重要。

Tx是發(fā)射（Transmits）的簡稱。無線電波的發(fā)射功率是指在給定頻段范圍內(nèi)的能量，通常有兩種衡量或測量標(biāo)準(zhǔn)：

功率（W）－相對1瓦（Watts）的線性水準(zhǔn)。

增益（dBm）－相對1毫瓦（Milliwatt）的比例水準(zhǔn)。

兩種表達(dá)方式可以互相轉(zhuǎn)換：

dBm = 10 x log[ 功率 mW]

mW = 10 [ 增益 dBm / 10 dBm]

在無線系統(tǒng)中，天線被用來把電流波轉(zhuǎn)換成電磁波，在轉(zhuǎn)換過程中還可以對發(fā)射和接收的信號進(jìn)行“放大”，這種能量放大的度量成為 “增益（Gain）”。天線增益的度量單位為“dBi”。

由于無線系統(tǒng)中的電磁波能量是由發(fā)射設(shè)備的發(fā)射能量和天線的放大疊加作用產(chǎn)生，因此度量發(fā)射能量最好同一度量－增益（dB），例如，發(fā)射設(shè)備的功率為100mW ，或 20dBm；天線的增益為10dBi，則：

發(fā)射總能量＝發(fā)射功率（dBm）＋天線增益（dBi）

＝ 20dBm ＋ 10dBi

＝ 30dBm

或者：＝ 1000mW