049_天线增益概念

陆妹

049_天线增益概念

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EDA365原创     作者：何平华老师

天线增益概念。原创不易，恐有错误，恳请读者指正。碎片三分钟逛电巢App，收获一丢丢。

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天线定向性（directivity）

假设理想的无定向性天线，在远场区的3D球面空间各方向的辐射功率都相等，则定义球面等辐射功率的方向图的定向性（Directivity）为0dBi。——各方向的平均辐射功率都相等，假设是0dB。如下图（图片来自网上）所示，其方向图为球形：

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只是真实的物理世界，不存在这种理想的各向同性（无定向性）天线。

例如简单的偶极子天线，如下图左所示：

两极方向没有辐射功率，相当于-∞dB。根据能量守恒，那么赤道方向360度的辐射功率都得凸出来，凸出来的那部分最大辐射功率比球面平均辐射功率0dB要高出2.15dB，如下图右所示。

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所以偶极子天线的定向性为2.15dBi，有时为了简单起见，写成2.2dBi。

这就等效于一个体积不变的球形橡皮泥，如果压缩两极，则赤道膨胀。膨胀出来的那部分，相当于天线的定向性（Directivity）。用下图表示这个过程：

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天线的定向性（Directivity）定义：辐射功率在3D球面空间分布上的峰均比：

天线的定向性，是定义天线辐射功率的空间集中度指标。

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天线增益（Gain）

问题在于，实际的偶极子天线存在辐射效率。

首先：偶极子天线由两个悬空对称的λ/4金属谐振臂构成，一般来说，谐振时才能辐射出功率，而谐振电流很大，产生导体损耗，属于狭义的影响辐射效率的因素。

其次：通常用放大器当做激励源，放大器与天线之间需要传输线连接和平衡-非平衡转换的Balun，这同样也会产生各种传输损耗和阻抗失配的回波损耗。

把这些损耗（Loss）都可以归类到广义的影响辐射效率的因素。

天线增益（Gain）的定义：

G = D – Loss

有些情况下这些损耗（Loss）都较小，于是：G≈D，所以经常将天线定向性（Directivity）和天线增益（Gain）混为一谈。

阵列天线定向性

偶极子天线定向性仍然较小，可采用多个相同的偶极子同方向等间距排成一条直线，构成直线阵列天线，各偶极子等幅度等相位的信号激励，其3D方向图会进一步压扁，增益会更高：

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由4个偶极子构成的直线阵列天线，其增益有可能达到8.3dBi左右。

偶极子数量越多，增益越高。——但不一定呈正比关系，以后会讲到。

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提高天线定向性的措施

提高天线定向性的措施，一般有三种：

阵列天线，例如汽车防撞雷达毫米波天线（图片来自于电巢射频仿真课程）；

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抛物面天线，例如贵州天眼（图片来自网上）；

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透镜天线，例如歼20的肚子下面的天线（图片来自网上）；

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以上三种措施也可组合起来，以进一步提高增益，例如用抛物面天线构成的甚大阵列天线（图片来自网上）：

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还有用透镜天线构成的甚大阵列天线（图片来自网上）：

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（未完待续）

总结

天线定向性（Directivity）是指辐射功率在3D球面空间分布上的峰均比；

天线增益（Gain）在数字上等于天线定向性（Directivity）减去各种损耗（Loss）；

提高天线定向性（Directivity）一般有三种措施：阵列天线、抛物面天线、透镜天线，及以上三种的组合。

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作者｜何平华老师

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