天线增益：提升无线通信的关键因素

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2023-07-10 16:22:11 761

天线增益是一个用来衡量天线的信号增强能力的重要参数。在无线通信领域中，天线增益对于提高通信质量和扩大信号覆盖范围非常关键。

1分钟「天线增益」总结

1、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。

2、天线的增益由振子叠加而产生。增益越高，天线长度越长。增益增加3dB，体积增大一倍。

3、天线增益越高，方向性越好，能量越集中，波瓣越窄。

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。

天线增益的定义是：天线在某一规定方向上，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。

需要注意的三个点

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。但是波速宽度会别压缩，波瓣越窄，从而导致覆盖的均匀性变差。

3、天线是无源器件，并不会增加信号的功率，而经常说的天线增益是相对于某一参考天线来说的。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。

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。下面我们根据不同类型的天线，概括总结了部分计算公式，可供参考。

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}

注意

D：抛物面直径

λ0：中心工作波长

4.5：经过统计的经验数据

直立全向天线

可用以下公式近似计算其增益：

G(dBi)=10Lg{2L/λ0}

注意

L：天线长度

λ0：中心工作波长

一般的天线

可用以下公式近似计算其增益：

G(dBi)=10Lg{32000/(2θ3dB,E×2θ3dB,H)}

注意

公式中，2θ3dB,E与2θ3dB,H分别为天线在两个主平面（E面和H面）上的半功率（3dB）波瓣宽度；32000 是统计出来的经验数据。

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

将「轮胎」压扁，信号就越集中，增益就越大，天线尺寸就越大，波束宽带越窄。

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。

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；
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;
计算增益：G=10Log(P2/P1) ——就这样，得到了天线的增益。

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