天线系统增益问题概述

1、天线系统增益问题概述1, 增益的物理含义为在一定的距离上的某点处产牛一定大小的信号，如果用理想的无方向性点 源作为发射天线，需要100w的输入功率，而用增益为g = 13db = 20的某定向 天线作为发射天线时，输入功率只需100 / 20 = 5w o换言之，某天线的增益， 就其最大辐射方向上的辐射效果来说，与无方向性的理想点源相比，把输入功率 放大的倍数。2, 天线增益在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产 生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。 增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。 天线增益是

2、用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，它是选择基站天线最 重要的参数之一。表征天线增益的参数有dbd和dbio dbi是和对于点源天线的 增益，在各方向的辐射是均匀的；dbd相对于对称阵子天线的增益dbi=dbd+2.15o 相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越远。一般地，gsm定向基站的天 线增益为18dbi,全向的为lldbio首先，天线是“无源器件”，所以天线木身并不能给ap的信号增加能量。 然而我们一提到天线，最重要的指标就是说天线的“增益”，那么天线是如何获 得信号强度的“增益”呢？答案就是，靠控制信号发射的角度。这个原理有些类 似于手电筒，手电筒靠一面凹镜，让光线都集中在某

3、一角度，来让光线照到更远 的地方。手电筒及电池相当于ap设备本身，而手电筒的灯泡和凹镜就相当于我 们的天线。如果摘掉手电筒的凹镜，那么就相当于使用一个增益很小的全向天线, 光线照射很分散，覆盖距离很近；有了凹镜，则相当于使用了一个高增益的定向 天线，光线集中，覆盖距离很远。信号总的能量是由ap决定的，天线则决定让这些能量集中在某个角度内， 这个角度越小，能量聚集度越高，获得的信号“增益”也就越大，信号覆盖的距 离越远；反之，如果覆盖角度越大，能量聚集度越低，信号覆盖的距离越近。这 就是天线获得增益的基木原理。全向天线全向天线，一般指的是水平各个方位增益相同的天线，即水平方向360度覆 盖。水平

4、方向增益的增加，是依靠垂直方向增益的减少来实现的。可以认为，全向天线增益越大，水平方向上覆盖的范围也就越大，垂直方向上覆盖的范围越小。全向天线立体方向e1全向天线一般应用于室内环境，绝大多数室内型ap自带的天线也都是全向天线，这些天线可以和ap同放置在桌面上，墙壁上（如图1所示），也可以单独的釆用吸顶方式安装在天花板上（如图2所示）。图1：壁挂方式安装图2：吸顶方式安装定向天线定向天线，在垂直方向和水平方向都不是360度覆盖，一般来说覆盖角度小, 覆盖的范围也就越远，如同我们前面谈到的手电筒。实际场景中，通常室外会采 用定向天线。走向天绕图3：室外采用的定向天线读者可能会问，为什么室外不能用全

5、向天线呢？其实也不尽然，只是一般而 言，室外部署全向天线不那么容易。设想一下，室外一般要求覆盖距离较远，如 果使用全向天线，那么在增益较大的情况下，全向天线垂直方向上信号较弱，如 果ap放置位置较高（比如楼顶），则会出现“灯下黑”现象。那么如果放置在 地面附近呢？地面附近的问题就是树木等遮挡物过多，可能无法实现对热点位置 的有效覆盖。所以大多数情况下，还是使用定向天线在高处向室外热点区域覆盖, 以保证可靠的信号质量。什么是dbi?当我们使用天线增益进行计算时，我们有一种转换成db单元的技术，我们先来 冋顾一下天线增益的意义，当我们谈到天线增益时，我们指的是雷达波束的聚焦, 通过天线来增加某些方

6、向的能量，天线被比作数学理想无方向性天线，对于一 个无方向性天线，辐射是均匀散布在以r为半径的天线周围，这个球的表面积是a= r 。表面的能量密度是p除以表面积a,功率密度=p/a = p/4rr2o当我们讨论天线增益g时，我们将它作为一个乘数与一个数学上理想的各向同 性天线相比，我们从哪里获得额外的能量來获得天线增益?我们不能改变天线的总功率，我们 只是重新分配，我们减少在不想要的夭线波束的能量，大幅增加在想要的功率区 域的能量，在主要波束的功率密度被描述为功率密度二p g/加r，g被认为是天线的增益，注意，1的增益与各向同性天线的功率密度相同，我们 说增益是指向各向同性的天线，如果我们比较

7、功率密度，对于同样的传输功率和 相同的范围，我们可以使用db的公式区得到db = 10-logl0(pantenna/pisotropic)=10-logl0(p g / 4rr2)/(p / 4hr2)=lo-loglo(g)为什么我们要经过一个冗长的推导来得到一个简单的结果，比如上面的那个?这 样做的关键原因是，我们知道，在处理db时，我们总是会回到功率比的定义。 当我们想将天线增益与绝对水平进行比较时，我们使用：dbi = 10 loglo(g)正确的发音是dbi,或相对于各向同性的分贝。除了各向同性辐射之外，天线增益也与其他功率水平相比较。当比较完成后，天 线增益就被称为db。例如，天

8、线的一个特殊的副瓣可能被认为是负的，如20db,这意味着，与主叶相 比，这一瓣的增益下降了 20分贝。必须小心区分相对于一个各向同性天线(dbi) 的增益和相对于别的东西(db)的增益，通常是天线的主瓣波束为了防止错误，当使用天线增益时，总是要考虑使用什么功率。参考功率的选择 是各向同性的天线(dbi)、天线主瓣(db)或其他天线(db)odbi通常是一个正数，与天线主波朿比值几乎总是负的，其他的天线比较可能是 正的或负的分贝计算器对于这些问题是很有用的。所有这些问题都与下图所示的天线模式有 关1, 根据天线增益为37db。它对应的功率比是多少？2, 同样的天线在第一个方向上下降了 13dbo

9、这代表了多少个dbi?与各向同性 相比，这个副瓣的功率比是多少？3, 一个远场天线副瓣是-12db,它从峰值下降多少个db?4,一个不同的天线比这个天线有4分贝的增益。在和同输入信号强度下，两个 天线的功率比是多少？mainbeam1. 37dbi = 10 loglo(g)2. the first sidelobe is down 13 db. down 13 db from what? note the power ratio aspect of this problem is similar to the previous one.3. you are now given a -2 db

10、i sidelobe to find out how far down it is from the peak, you will have to use the peak gain.4. this problem, with 4 db greater gain, is similar to the other db problems you have done. the solution is similar as well.1. g = 10(37/10)=10(3.7)a 50002. the first sidelobe gain in dbi = 37 dbi -13 db = 24 dbi.g = 10(24/10)=10(2.4) 2503. 37 dbi - (-2 dbi) = 39 db down from the peak.in this problem, you ha