天線增益計(jì)算方法

來源：edatop 更新時(shí)間：2024-10-05 閱讀：

增益是指：在輸入功率相等的條件下，實(shí)際天線與理想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號(hào)的功率密度之比。它定量地描述一個(gè)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(diǎn)處產(chǎn)生一定大小的信號(hào)，如果用理想的無方向性點(diǎn)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(shí)，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(diǎn)源相比，把輸入功率放大的倍數(shù)。
半波對(duì)稱振子的增益為 G=2.15dBi。4 個(gè)半波對(duì)稱振子沿垂線上下排列，構(gòu)成一個(gè)垂直四元陣，其增益約為 G=8.15dBi( dBi 這個(gè)單位表示比較對(duì)象是各向均勻輻射的理想點(diǎn)源 )。
如果以半波對(duì)稱振子作比較對(duì)象，其增益的單位是 dBd 。
半波對(duì)稱振子的增益為 G=0dBd （因?yàn)槭亲约焊约罕?，比值?1 ，取對(duì)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(jì)算公式
1）天線主瓣寬度越窄，增益越高。對(duì)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(gè)主平面上的波瓣寬度；
32000 是統(tǒng)計(jì)出來的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
2）對(duì)于拋物面天線，可用下式近似計(jì)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(zhǎng)；
4.5 是統(tǒng)計(jì)出來的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
3）對(duì)于直立全向天線，有近似計(jì)算式
G（dBi）=10Lg{2L/λ0}
式中， L 為天線長(zhǎng)度；
λ0 為中心工作波長(zhǎng)；
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(duì)數(shù)值為基礎(chǔ)的。
(1)dB，這單純是一個(gè)相對(duì)值，也就是說A比B的值的對(duì)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?yàn)槲覀儾恢繠是什么。只是我們?cè)S多同好有時(shí)為了簡(jiǎn)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(cuò)就錯(cuò)，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(gè)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(gè)單位的含義相對(duì)復(fù)雜了點(diǎn)，但是它最能表達(dá)實(shí)際環(huán)境情況的比值單位，這里參照物B是以點(diǎn)源振子（實(shí)際不存在此物，可以看作是相對(duì)波長(zhǎng)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(gè)點(diǎn)源振子應(yīng)該是理想球狀的全方向性輻射，這時(shí)與dBd就有一定的數(shù)學(xué)關(guān)系了，即 1dBd=2.14dBi。然而實(shí)際上絕大多數(shù)的天線都會(huì)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(huì)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(huì)表明安裝高度或?qū)?biāo)出數(shù)值的計(jì)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(hào)，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(diǎn)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(jì)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(jiǎn)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(cè)量標(biāo)準(zhǔn)：
功率（W）－相對(duì)1瓦（Watts）的線性水準(zhǔn)。
增益（dBm）－相對(duì)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(duì)發(fā)射和接收的信號(hào)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
＝ 1W
在“小功率”系統(tǒng)中每個(gè)dB都非常重要，特別要記住“3dB法則”。
每增加或降低3dB，意味著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的無線發(fā)射功率為20dBm，而50mW的無線發(fā)射功率為17dBm，而200mW的發(fā)射功率為23dBm。