满城尽带黄金甲中说“RF挤挤就会有的”，我要说“天线压一压也会有”增益

litom2004

无源的天线为什么会有增益？
Mr.Kang 和老康一起学5G 2023-12-23 10:31 Posted on 北京

天线(Antenna)是将基站信号发送到空中的器件，其对网络性能和终端用户(UE)都起着关键作用；通常天线都是无源器件，但在规划设计和实际应用中需考虑其增益，那无源天线为什么会有增益呢，请慢慢往下看。

一、天线增益是衡量天线在辐射方向图中方向性的参数，其中高增益天线将优先向特定方向的辐射；而天线增益是一种无源现象,其功率不是由天线添加的，而是简单地重新分配以在某个方向上提供比全向性天线传输更多的辐射功率。增益以dBi和dBd为单位进行衡量，其中:

• dBi是参考各向同性天线的增益
• dBd是相对于偶极天线的增益
  

在实践中以半波偶极子代替各向同性辐射器参考，增益以dBd(偶极子分贝数)为单位：

二、dBd与dBi可用公式:dBi=dBd+2.15表示,实际效果见图(1)所示；

图1.全向天线(dBi)与定向()dBd天线覆盖示意图

三、天线选择在确定增益时必须考虑天线的应用，其中:

• 高增益(High-gain)天线优点是覆盖范围更远、信号质量更好，但必须仔细瞄准特定方向；
• 低增益(Low-gain)天线覆盖范围较近，但天线的方向相对无关紧要。
  

四、增益与偶极子选择为了将辐射功率集中到地平线周围的区域，半波偶极子垂直排列，并与偶极子数量增加一倍相组合，其中:

• 半功率波束宽度约为一半；
• 主方向增益增加3dB。
  

图2.偶极子数、波束宽度和增益示意图

五、增益与波束宽度根据波束宽度、偶极子数关系在水平面中也可以通过波束宽度的一半来创建波束，增益可增加3dB(理论模式)如图(3)所示：

图3.波长、偶极子数、波束宽度和增益示意图

*天线的增益最终是“垂直”和“水平”增益总和

六、天线增益和波束宽度计算

如图(4)所示天线中偶极子以垂直极化方式排列，在垂直方向有8个偶极子可贡献9dB增益，3dB由于天线背板而产生，另外3dB因水平面中的一列8个偶极子而产生。

图4.8个偶极数天线示意图

• 垂直方向上有8个偶极子，增益为9dB
• 背板带来的3dB增益
• 由于在水平面中再添加一列8个偶极子再获得3dB增益
  

总增益=9+3+3=15dB如参考各向同性天线进行转换，则必须在偶极子增益中添加2.1dB天线增益(dBi)=15+2.15dB=17.15 dB

七、天线波束宽度计算偶极子在垂直平面内具有78度波束，偶极子加倍会使波束宽度减半。对于垂直方向的2个偶极子，使垂直波束宽度为32 度，对于8个偶极子，使波束宽度为7度(天线设计时一些波束功率被浪费在小波瓣中)。与水平波束宽度相同，两根立柱使水平波束宽度为90度。那么该天线的规格如下：

• 水平波束宽度=90度
• 垂直波束宽度=7度
• 天线增益=17.15dBi