一文讀懂！天線增益那些事兒

接上文《天線是如何發(fā)射和接收電磁波的？》，我們今天接著學習天線相關的知識。今天一起來探討一下天線增益。

在開始探討天線增益之前，我們先來思考一下日常生活中的信號傳輸現(xiàn)象。當我們身處地下室，手機信號可能會變得很弱，通話斷斷續(xù)續(xù)，網(wǎng)絡也慢得讓人抓狂；而在開闊的室外，信號則明顯增強，上網(wǎng)、通話都順暢無比。又比如家里的 WiFi，如果路由器放在角落，離它較遠的房間信號就會很差，視頻加載緩慢。這些信號強弱變化的背后，其實都和天線增益有著千絲萬縷的聯(lián)系。

簡單來說，天線增益是定量描述天線把輸入功率集中輻射的程度，從通信角度講，就是在某個方向上和范圍內(nèi)產(chǎn)生信號能力的大小。為了更直觀地理解，我們可以把天線想象成一個信號的 “聚光燈” ，普通的燈泡（相當于無增益天線）向四面八方均勻發(fā)光，光線分散，在遠處的亮度就很弱；而聚光燈（有增益的天線）則把光線集中在一個特定方向，在這個方向上光線更強，傳播得更遠。天線增益就是衡量這種 “聚光” 能力的指標，增益越高，就意味著天線在特定方向上發(fā)射或接收信號的能力越強，信號傳播的距離也就越遠。

深入剖析：天線增益原理

從專業(yè)角度來講，天線增益是在輸入功率相等的條件下，實際天線與理想的輻射單元（通常是各向同性的理想點源天線，它在空間各個方向均勻輻射能量 ）在空間同一點處所產(chǎn)生的場強的平方之比，簡單理解也就是功率之比，如下圖所示。天線增益與天線方向圖有著緊密的聯(lián)系，方向圖就像是一個展示天線輻射特性的 “地圖”，它描繪了天線在不同方向上輻射信號的強弱分布。當方向圖的主瓣越窄，意味著信號在某個特定方向上的集中度越高；同時后瓣、副瓣越小，說明能量分散到其他不必要方向的損耗就越少，這樣一來，天線的增益也就越高 。

為了讓大家更清晰地理解增益將輸入功率放大倍數(shù)的物理含義，我們來舉個例子。假設有一個理想的點源天線，它就像一個向四面八方均勻發(fā)光的燈泡，沒有方向性。如果要在距離它 100 米的某點處產(chǎn)生一定強度的信號，經(jīng)過計算得知，需要輸入 100 瓦的功率?，F(xiàn)在，我們換用一個增益為 13dB（約為 20 倍）的定向天線，神奇的事情發(fā)生了，在同樣距離的同一點處產(chǎn)生相同強度的信號，這個定向天線只需要輸入 100÷20 = 5 瓦的功率。這就好比原本需要用一個很大功率的燈泡才能照亮遠處的某個地方，現(xiàn)在通過一個特殊設計的 “聚光燈”（高增益天線），只需要很小的功率就能達到同樣的照明效果，這就是天線增益的魅力所在，它在最大輻射方向上，能有效地將輸入功率放大，讓信號傳播得更遠、更強 。

衡量標準：dBd 與 dBi

在描述天線增益時，我們常常會看到 dBd 和 dBi 這兩個參數(shù) ，它們就像是衡量天線增益的兩把 “尺子”。dBi 表示的是天線在最大方向場強相對于各向同性輻射器（也就是理想的點源天線，它向四面八方均勻輻射能量，方向圖是一個完美的球體 ）的參考值。例如，一個增益為 5dBi 的天線，意味著它在最大輻射方向上的輻射強度比理想的各向同性輻射器要強 5dB。

而 dBd 則表示天線在最大方向場強相對于半波對稱振子（一種常見的基本天線形式，由兩根長度為四分之一波長的導線組成，形狀像一個 “啞鈴” ）的參考值。半波對稱振子本身具有一定的方向性，不像各向同性輻射器那樣均勻輻射。

這兩者之間存在一個固定的轉(zhuǎn)換關系：0dBd = 2.15dBi?。這是因為半波對稱振子在最大方向場強相對于各向同性輻射器的參考值為 2.15 。比如，當我們看到一個天線的增益標注為 8dBd 時，如果要換算成 dBi，就可以通過公式計算得出 8dBd = 8 + 2.15 = 10.15dBi 。在實際應用中，我們需要根據(jù)不同的場景和需求，選擇合適的單位來理解和比較天線增益 。例如在移動通信基站中，通常會使用 dBi 來表示天線增益，這樣可以更直觀地評估天線在各個方向上相對于理想點源的輻射增強能力 ，從而更好地規(guī)劃信號覆蓋范圍。

實際意義：影響與應用

天線增益在實際的通信領域中有著舉足輕重的地位，對移動通信系統(tǒng)的運行質(zhì)量起著關鍵作用，因為它直接決定了蜂窩邊緣的信號電平 。在移動通信系統(tǒng)里，我們可以把基站想象成信號的 “發(fā)射中心”，而天線增益就是決定信號能 “跑” 多遠、多強的關鍵因素。增加天線增益，就如同給信號 “插上了翅膀”，能夠在確定方向上增大網(wǎng)絡的覆蓋范圍，讓信號抵達更偏遠的地區(qū) 。比如在一些偏遠山區(qū)，如果基站天線的增益較低，信號可能只能覆蓋到山腳下，而提高增益后，信號就能翻山越嶺，覆蓋到更廣闊的山區(qū)，讓山區(qū)的居民也能享受到穩(wěn)定的通信服務 。

在不同的通信場景中，天線增益都發(fā)揮著不可或缺的作用 。在基站通信中，常見的定向基站天線增益一般為 18dBi，全向基站天線增益為 11dBi 。定向天線通過較高的增益，將信號集中向特定的區(qū)域輻射，有效覆蓋城市中的商業(yè)區(qū)、居民區(qū)等重點區(qū)域 。想象一下，在繁華的城市街道上，基站就像一個個信號 “燈塔”，定向天線以高增益將信號精準地投向街道兩側的高樓大廈，確保樓里的人們無論是在打電話、上網(wǎng)還是觀看視頻，都能享受到流暢的通信服務 。而全向天線則憑借其相對較低但均勻分布的增益，在一些空曠的郊區(qū)、農(nóng)村等場景中，為周圍一定范圍內(nèi)的用戶提供信號覆蓋 。

衛(wèi)星通信更是離不開高增益天線 。衛(wèi)星距離地球遙遠，信號在傳輸過程中會有很大的衰減 。為了確保地面站和衛(wèi)星之間能夠穩(wěn)定地傳輸信號，就需要高增益的天線來集中信號能量，減少路徑損耗 。例如，拋物面天線就是衛(wèi)星通信中常用的高增益天線，它的形狀就像一個巨大的 “信號收集碗”，能夠?qū)⑽⑷醯男l(wèi)星信號聚焦接收，同時也能將地面站發(fā)射的信號集中發(fā)射出去，實現(xiàn)遠距離的通信 。在衛(wèi)星電視接收中，我們常見的 “鍋蓋” 天線就是拋物面天線的一種，通過高增益接收衛(wèi)星信號，讓我們在家中就能收看到來自世界各地的精彩節(jié)目 。

在無線局域網(wǎng)（WLAN）中，高增益天線同樣有著重要應用 。在一個大型的辦公園區(qū)或者商場里，如果使用普通增益的天線，可能會存在信號覆蓋不到的 “死角”，導致部分區(qū)域網(wǎng)絡信號差，影響用戶體驗 。而采用高增益天線后，信號的覆蓋范圍得到顯著擴展，能夠輕松穿透墻壁、障礙物，減少信號衰減，提高網(wǎng)絡的可靠性和穩(wěn)定性。比如在一個多層的商場中，高增益天線可以將信號覆蓋到各個樓層的每一個角落，讓顧客和商家在商場的任何位置都能享受到快速的無線網(wǎng)絡服務，方便購物、辦公和娛樂 。

增益提升：方法詳解

在實際應用中，我們常常需要計算天線增益，以便選擇合適的天線來滿足不同的通信需求。以下是一些常見且有效的方法：

1，增大天線尺寸

較大的天線能夠捕獲更多的無線電波 。這就好比用一個大網(wǎng)捕魚，網(wǎng)越大，能捕獲的魚就越多 。以拋物面天線為例，前面提到的增益計算公式(G(dBi) = 10Lg{4.5×(D/λ0)^2})表明，拋物面直徑(D)增大時，增益會顯著提高 。在衛(wèi)星地面接收站中，巨大的拋物面天線可以更有效地接收來自衛(wèi)星的微弱信號，這就是增大尺寸提高增益的實際應用 。

2，增加天線數(shù)量（天線陣列）

多個天線可以組合其信號，這種方式被稱為天線陣列 。想象一下多個小水管同時向一個大水池注水，水量會比單個小水管注水大得多 。在 5G 通信基站中，就常常采用大規(guī)模天線陣列技術，通過將多個天線單元組合在一起，實現(xiàn)信號的協(xié)同發(fā)射和接收，從而提高增益 。這些天線單元可以根據(jù)需要調(diào)整發(fā)射和接收的相位和幅度，使信號在特定方向上實現(xiàn)同相疊加，增強信號強度，提高通信質(zhì)量 。

3，利用反射表面

反射表面可以將電波重定向到天線，從而提高增益 。比如在一些電視接收天線背后，會安裝一個金屬反射板 。當電視信號的電磁波傳播到反射板時，會被反射到天線的接收方向上，相當于增加了天線接收到的信號能量，進而提高了增益 。就好像用鏡子將光線反射到需要照亮的地方，讓光線更集中 。

4，設計特定形狀

一些天線類型，例如八木天線，專為更高的增益而設計 。八木天線由一個有源振子（通常是半波振子）、一個反射器和多個引向器組成 。反射器和引向器的作用是將有源振子向各個方向輻射的電磁波進行重新分布，使信號在特定方向上得到加強，從而提高增益 。在一些偏遠地區(qū)的無線電視接收中，八木天線因其較高的增益和較好的方向性，能夠有效地接收遠處電視臺發(fā)射的信號 。

總結

通過以上內(nèi)容，希望大家對天線增益已經(jīng)有了較為全面且深入的理解。天線增益作為衡量天線輻射特性的關鍵指標，在我們?nèi)粘Ｉ畹母鞣N通信場景中都發(fā)揮著至關重要的作用 。從手機信號的穩(wěn)定接收，到衛(wèi)星電視的精彩呈現(xiàn)，再到無線網(wǎng)絡的廣泛覆蓋，天線增益就像一個幕后英雄，默默保障著信號的高效傳輸 。

正確理解天線增益，能夠幫助我們在選擇和使用天線時做出更明智的決策 。無論是在建設通信基站，還是為家中的無線路由器挑選合適的天線，了解增益的原理、計算方法以及影響因素，都能讓我們事半功倍，獲得更好的通信效果 。

那么，在你的生活中，有沒有遇到過因為天線增益問題而導致信號不佳的情況呢？你又是如何解決的？或者你對天線增益還有哪些疑問，都歡迎在留言區(qū)分享和提問 。讓我們一起交流探討，共同探索天線增益背后更多有趣的知識 。

最后加點私貨，推薦一下克勞斯這套經(jīng)典的天線書，也是我學習天線的主要參考書。