天線增益解釋

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更新11-21-2011 09:16:16 AM 170018

天線的「增益」一詞考倒了許多人,甚至某些進階的射頻工程師。法律條文規定「有效幅射功率 (ERP) 不得超過 ... 」,這是根據天線的輸入乘以天線增益。有一種概念是當天線表現出增益時,天線像神奇地在本身創造了功率。可惜事實並非如此。如果檢驗天線,會注意到它是由基本材料建構而成的,最好的是金、銀、銅,然後就是鋁。這些材料本身不會創造功率。

在我們進入解釋之前,需要定義一些術語以協助解釋天線增益。

分貝 (dB) :損失或增益的計算單位。增益為正值,損失為負值,它等於

10*log(Pout/Pin)

天線增益 :輻射在最高點的相對增加,以分貝值表示其超過標準值的部份,基本天線是半波長的偶極天線 ( 雙極 ) ,其他天線依此測量。參照值為 0dBD ( 零分貝是以偶極天線為參照 ) 。因此有效發射功率為輸入功率兩倍的天線,其增益為 10*log(2/1) = 3dBD 。

一個注意的警告:有第二個「參照值」使用在天線增益數字中,但它只是用來提供一個比真正達到的數字還要高的天線增益數字。它被稱為 dBi ,代表一個輻射以球形平均發射 ( 所有方向均相等 ) 之假想全向天線的天線增益。它增加了 2.14dB 的天線增益數字,這是偶極天線之於全向天線多出來的「增益」,但是這不是一個真正的領先!在 Cheating with Antenna Gain ( 天線增益的作弊 ) 報告中有更詳細的說明。

輻射場型 :一個輻射強度與垂直角度的圖形化表示。圖形通常是圓形的,根據與中心的距離和相對應的角度來表示強度。

在此頁中的所有輻射場型都是將天線元件垂直安裝,並從側面看 ( 即天線的右側角度 ) 看到一側。

 

輻射角度: 已被普遍接受的是波束寬度是兩點之間的角度 ( 在同一平面 ) 在那裡輻射降至「半功率」,即較最大輻射點低 3dB 。使用 3dB 以外的數字對天線的表現沒有什麼好處,因為這可能給人一種天線具有更寬 / 更窄波束的印象,如果嚴肅一點的工程師著眼於這一點,他會理所當然的懷疑其設計。

覆蓋範圍 :在仍然可以接收訊號的程度下的實際地理範圍,通常被描述天線站點的半徑距離。




首先讓我們拿一條標準半波長偶極天線並將它「懸空」在開放空間 ( 即忽略所有可能影響天線的環境,例如:安裝桿等)。在這種天線的輻射場型通常被稱為「甜甜圈」,如相鄰的圖所示。 


 

 


由於材料無法創造功率,唯一的另一種方法是把重點放在浪費的能源,例如:將朝天上飆去的功率朝向水平面上更有益的方向。結果顯示在相鄰的圖片。在這裡,輻射的形狀被改變了,最外面的能源集中到中間一半,其結果是輻射能源沿著所需的平面增加了一倍,或是有效地 3dB 增益。



 

 

 

這樣的集中可以進一步加強,如此可以達到 6dB (4 倍 ) 到 9dB (8 倍 ) 的增益。其結果的兩個輻射場型如下圖所示。

 


可以看出,讓天線有「增益」的方法只是把重點放在輻射 ( 即將甜甜圈壓扁成煎餅 ) ,從而沿著水平加強了輻射強度。超出 9dB 的全向輻射天線和增益是不實用的,因為事實是集中是直接與天線的長度 ( 波長 ) 有關。但是現在有一個進一步集中的方法,就是只在一個方向加強輻射。



如果在偶極天線旁邊放一個反射器,所有往反射器方向發射的能源,現在都反射回到偶極天線的方向。這使得所有的能源只出現在一個半球,其結果是輻射能源在此方向增加了一倍,或是 3dB 增益。

 





 

可以透過再使用「導波器」進一步集中,讓角度越來越小,即將所有輻射擠到同一個方向,達到更高的增益。在這裡達到 20dB 的增益是很實用的。然而這種天線的有效角度很小 ( 一般為 ± 10 度 ) 。
 

 

 


 

關於定向天線,還有一個數字要記住。 

前後比: 大多數定向天線的驅動元素是一條具典型「甜甜圈」形輻射場型的偶極天線在垂直軸。這個想法,如圖所示,是利用這個圓環形的輻射場型,並將它擠成在天線前的一道光束。反射器通常只是一個單桿,也可能是很多桿子。即使是一堆反射器,也無法阻止所有沒用的能源從裂縫中漏出!有些會被發射向後方 ( 或對反射器來說,繞過反射器然後被偶極天線攔截 ) 。記住,在開放空間時,偶極天線對於此方向和天線前面的方向的敏感度是相同的,而且它的自然傾向就是要繼續甜甜圈的場型。 

因為「衍射」的關係,即使是實心金屬板作為反射器也不會將前後完全隔離。沒錯,在金屬的最尖端會造成某些訊號在反射器的邊緣向後「彎曲」 ( 或對反射器來說,從後面往偶極天線 ) 。
此前後差異的比率是參考天線前面 ( 要的 ) 方向來定義的,通常以 dB 表示。 

結語:

天線不會神奇地創造功率,它只是將輻射射頻集中到較窄的場型,因此從需要的方向看起來,天線好像發出更多功率。

可以看出「收益」也是「損失」。天線的增益越高,使用的有效角度越小。這是人們會忘記的部份,也就是說它們從其他方向搶來了功率,然後疊加在需要方向的幅射上。

這直接影響了特定功能的天線選擇。有關如何選擇正確的天線處理,請造訪 選擇正確的天線

 

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