了解天线增益,波束宽度和方向性

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天线增益是通过与参考源比较来衡量的性能指标。在合规工程中,天线增益以分贝除以各向同性(dBi)来衡量,指的是各向同性天线——一种在各个方向均匀发射/接收能量的“理想”天线,其增益为0 dBi(图1)。


天线增益dBi 图1

在发射天线中,增益描述天线将输入功率转换为向指定方向发送的无线电波的能力。在接收天线中,增益描述天线将无线电波(从指定方向传入)转换为电能的能力。


本文解释了天线增益,并消除了围绕这个有价值的度量的一些误解。本文还讨论了常见天线类型的典型增益,并提供了计算与天线增益相关的重要参数的工具。


天线增益是如何工作的?


首先,值得一提的是,在某些行业,如广播工程,制造商可能使用dBd(相对于偶极天线的增益)作为度量,而不是dBi。注意dBd固有更大,定义为2.15 dBi增益。


这种差异是由于天线的不同辐射模式造成的;想象一个各向同性天线的增益模式是一个球体,而一个偶极子天线的模式是甜甜圈形状的,后者更集中的波束的结果。


同样,在处理发射天线时,可以使用数值增益代替dBi来计算天线可能产生的场强。在本文中,我们将继续关注增益以dBi量化的接收天线。


接下来,让我们研究增益函数:想象一个完美对称的气球代表一个各向同性天线。如果你挤压气球的两边,它的两端就会鼓起来。这个类比就是收益的本质;理论气球所创造的模式代表了在这种情况下被测试天线的增益——改变增益“挤压气球”并改变天线的辐射模式。


此外,天线的增益可以因多种原因在其频率范围内变化。


例如,宽带天线要么被调谐到频率范围的某一部分,要么许多天线被组合成一个阵列,从而产生涟漪效应。双脊导向喇叭天线的增益范围从0到10,然后在其频率范围内再次下降(它们旨在覆盖更宽的频率范围)。


即使是“恒定增益”天线的工作增益范围也很窄。考虑到开放波导管或标准增益喇叭天线(覆盖非常窄的波段)显示相当恒定的增益。这样的天线可能是一个15 dBi增益天线,但它实际上在14 dBi和16 dBi之间波动,平均基本上是15 dBi,并注册一个平坦的响应。


频率范围的权衡出现在功率上;如果让天线在更宽的频率范围内工作,就会放弃天线的一些性能。这一事实直接反驳了天线增益类似于放大器增益的普遍误解:额外的天线增益不会产生功率,无论是在增加的场或电压中。


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图2 -天线增益计算器


188bet f1 可以帮助您确定增益(dBi或数字)和天线因子基于您的天线的频率范围和其他参数。


天线增益也与天线方向性和波束宽度直接相关。更高的增益天线通过聚焦缩小的区域获得额外的功率;因此,增益越大,覆盖的面积就越小(以束宽的度数来衡量)。天线增益和波束宽度总是成反比。


回到上面的气球类比,你挤压得越用力,气球的其他区域就会飞得越远,因为它的能量被定向到一个更小的区域。这种聚焦方向性的行为降低了光束宽度;因此,被测产品的覆盖率降低了。这种情况意味着收益的增加。


这个类比可以与增益的所有方差相关。增益可能在天线的整个频率范围内变化,这意味着你的覆盖在该频率范围内是不一致的。


因此,在设计测试规范或执行测试时,请确保您正确地将适当的波束宽度覆盖到天线上。


例如,您的定向天线视距(最大增益/最大辐射功率轴)为0。然后,如果你向左或向右改变了一定程度,你的读数下降了大约3分贝,这就是你要找的点。通常,在依从性测试中,30度波束宽度在1米外提供了良好的覆盖(图2)。


天线波束宽度

图3 -波束宽度覆盖


这个工具可以帮助您从指定的距离计算天线的最大(波束宽度)覆盖范围,以及它的半功率波束宽度。此外,该工具可以帮助您确定在给定距离和已知天线增益下的实际场强或功率密度(V/M)。


再次强调,更高的天线增益并不总是有利的。降低/提高增益的优势取决于应用程序(尽管内在的权衡是一样的)。


例如,如果你在测试一辆汽车,你需要多次扫描,你需要更宽的波束宽度,因为这意味着更少的测试设置。与此同时,在手机上进行类似的测试并不需要很宽的波束宽度。因此,理想情况下,较高的增益对较小的产品更有利。


也就是说,所有的天线都必须遵守物理定律;你只能从某些天线中获得一定的增益。


常见天线类型的典型特性

偶极天线

图4 -偶极子天线
  • 小环天线
    • 增益:最大2 dBi
    • 半功率波束宽度:80°x 360°
  • 磁单极子天线
    • 增益:最好为6dbi
    • 半功率波束宽度:45度x 360度
  • 双锥形天线
    • 增益:高达4 dBi
    • 半功率波束宽度:20-100度x 360度
  • λ/2偶极子半波偶极子天线
    • 增加:2.15 dBi
    • 半功率波束宽度:80°x 360°
  • 对数周期天线
    双脊导喇叭天线

    图5 - DRG喇叭天线
    • 增益:6 ~ 10 dBi
    • 半功率波束宽度:60°x 80°
  • 喇叭喇叭天线
    • 增益:5 ~ 24 dBi
    • 半功率波束宽度:40°x 40°(取决于增益)
  • 双脊导向喇叭天线
    • 增益:0到18 dBi(不同的工作频带)
    • 半功率波束宽度:5到100度两个极性

结论

天线增益是天线设计和测试的一个基本方面。了解增益如何起作用以及它如何影响其他天线参数对于节省时间和预算以及确保天线达到预期性能至关重要。


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