天線增益概念詳解

黃巖島島主公眾號(hào)《看圖說(shuō)RF》第049篇原創(chuàng)文章，天線增益概念。原創(chuàng)不易，恐有錯(cuò)誤，懇請(qǐng)讀者指正。碎片三分鐘逛電巢App，收獲一丟丟。

天線定向性（directivity）

假設(shè)理想的無(wú)定向性天線，在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的3D球面空間各方向的輻射功率都相等，則定義球面等輻射功率的方向圖的定向性（Directivity）為0dBi。——各方向的平均輻射功率都相等，假設(shè)是0dB。

只是真實(shí)的物理世界，不存在這種理想的各向同性（無(wú)定向性）天線。

例如簡(jiǎn)單的偶極子天線。

兩極方向沒(méi)有輻射功率，相當(dāng)于-∞dB。根據(jù)能量守恒，那么赤道方向360度的輻射功率都得凸出來(lái)，凸出來(lái)的那部分最大輻射功率比球面平均輻射功率0dB要高出2.15dB，如下圖右所示。

所以偶極子天線的定向性為2.15dBi，有時(shí)為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，寫(xiě)成2.2dBi。

這就等效于一個(gè)體積不變的球形橡皮泥，如果壓縮兩極，則赤道膨脹。膨脹出來(lái)的那部分，相當(dāng)于天線的定向性（Directivity）。用下圖表示這個(gè)過(guò)程：

天線的定向性（Directivity）定義：輻射功率在3D球面空間分布上的峰均比：

天線的定向性，是定義天線輻射功率的空間集中度指標(biāo)。

天線增益（Gain）

問(wèn)題在于，實(shí)際的偶極子天線存在輻射效率。

首先：偶極子天線由兩個(gè)懸空對(duì)稱的λ/4金屬諧振臂構(gòu)成，一般來(lái)說(shuō)，諧振時(shí)才能輻射出功率，而諧振電流很大，產(chǎn)生導(dǎo)體損耗，屬于狹義的影響輻射效率的因素。

其次：通常用放大器當(dāng)做激勵(lì)源，放大器與天線之間需要傳輸線連接和平衡-非平衡轉(zhuǎn)換的Balun，這同樣也會(huì)產(chǎn)生各種傳輸損耗和阻抗失配的回波損耗。

把這些損耗（Loss）都可以歸類到廣義的影響輻射效率的因素。

天線增益（Gain）的定義：

G = D – Loss

有些情況下這些損耗（Loss）都較小，于是：G≈D，所以經(jīng)常將天線定向性（Directivity）和天線增益（Gain）混為一談。

陣列天線定向性

偶極子天線定向性仍然較小，可采用多個(gè)相同的偶極子同方向等間距排成一條直線，構(gòu)成直線陣列天線，各偶極子等幅度等相位的信號(hào)激勵(lì)，其3D方向圖會(huì)進(jìn)一步壓扁，增益會(huì)更高：

由4個(gè)偶極子構(gòu)成的直線陣列天線，其增益有可能達(dá)到8.3dBi左右。

偶極子數(shù)量越多，增益越高。——但不一定呈正比關(guān)系，以后會(huì)講到。

提高天線定向性的措施

提高天線定向性的措施，一般有三種：

陣列天線，例如汽車防撞雷達(dá)毫米波天線（圖片來(lái)自于電巢射頻仿真課程）；

拋物面天線，例如貴州天眼；

透鏡天線，例如殲20的肚子下面的天線；

以上三種措施也可組合起來(lái)，以進(jìn)一步提高增益，例如用拋物面天線構(gòu)成的甚大陣列天線：

還有用透鏡天線構(gòu)成的甚大陣列天線。

（未完待續(xù)）

總結(jié)

天線定向性（Directivity）是指輻射功率在3D球面空間分布上的峰均比；

天線增益（Gain）在數(shù)字上等于天線定向性（Directivity）減去各種損耗（Loss）；

提高天線定向性（Directivity）一般有三種措施：陣列天線、拋物面天線、透鏡天線，及以上三種的組合。

　　審核編輯：湯梓紅