天线增益计算
天线增益计算
来源 https://zhuanlan.zhihu.com/p/346827682
天线增益是天线知识结构中非常重要的一环，当然也是选择天线的重要参数之一。天线增益对于通信系统的运行质量也起着很大作用，一般来说，增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度，而在水平面上保持全向的辐射性能。
一、天线增益的定义：
天线在某一规定方向上的辐射功率通量密度与参考天线在相同输入功率时最大辐射功率通量密度的比值。
→ 需要注意以下几点：
（1） 如果不是特别标注，天线增益均是指最大辐射方向的增益；
（2） 同等条件下，增益越高，方向性越好，电波传播的距离越远，即覆盖的距离增加。但是波速宽度会别压缩，波瓣越窄，从而导致覆盖的均匀性变差。
（3） 天线是无源器件，不能产生能量。天线增益只是将能量有效集中向某特定方向辐射或接受电磁波的能力。
二、天线增益的计算公式
我们可以从天线增益的定义中了解到，天线增益与天线方向图有密切的关系，主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。
（1） 对于抛物面天线，可用以下公式近似计算其增益：
G（dBi）=10Lg{4.5×（D/λ0）^2}
*注意：
D：抛物面直径
λ0：中心工作波长
4.5：经过统计的经验数据
（2） 对于直立全向天线，也可用下面的公式近似计算：
G（dBi）=10Lg{2L/λ0}
*注意：
L：天线长度
λ0：中心工作波长
三、增益与发射功率
无线电发射机输出的射频信号，通过馈线（电缆）输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，由天线接收下来（仅仅接收很小很小一部分功率），并通过馈线送到无线电接收机。因此在无线网络的工程中，计算发射装置的发射功率与天线的辐射能力非常重要。
无线电波的发射功率是指在给定频段范围内的能量，通常有两种衡量或测量标准：
功率（W）：相对1瓦（Watts）的线性水准。
增益（dBm）：相对1毫瓦（Milliwatt）的比例水准。
→ 两种表达方式可以互相转换：
dBm = 10 x log[功率mW]
mW = 10^[增益 dBm / 10 dBm]
在无线系统中，天线被用来把电流波转换成电磁波，在转换过程中还可以对发射和接收的信号进行“放大”，这种能量放大的度量成为 “增益（Gain）”。 天线增益的度量单位为“dBi”。
由于无线系统中的电磁波能量是由发射设备的发射能量和天线的放大叠加作用产生，因此度量发射能量，最好同一度量－增益（dB），例如，发射设备的功率为100mW ，或 20dBm；天线的增益为10dBi，则：
发射总能量＝发射功率（dBm）＋天线增益（dBi）
＝ 20dBm ＋ 10dBi
＝ 30dBm
或者：＝ 1000mW ＝ 1W
【3dB法则】
→ 在“小功率”系统中每个dB都非常重要，特别要记住“3dB法则”。
每增加或降低3dB，意味着增加一倍或降低一半的功率：
-3 dB = 1/2 功率
-6 dB = 1/4 功率
+3 dB = 2x 功率
+6 dB = 4x 功率
举个例子，100mW的无线发射功率为20dBm，而50mW的无线发射功率为17dBm，而200mW的发射功率为23dBm。
抛物面天线增益可以这样算
我们先改为这样（效率60%）
Gmax=18.178+8.66859Ln(D*f)
≈18+8.8*ln(D*f)
天线口径D 单位：米
频率f 单位：GHz
这样好记，手机算个e的对数OK了
用图表对比
18+8.8*ln(D*f) 和10log(η(πDf/c)^2)
都知道3dB角是这样算：
θ=70*λ/D
换一下单位把c带入就可以口算了
θ=70*c/(f*D)
=21/(f*D)
天线口径D 单位：米
频率f 单位：GHz
举例说明，已知如下：
Ku端站0.6米口径，增益36dBi，功放额定功率9dBW，CW模式，MODEM输出功率-40dBm（最低），卫星在终端地点的G/T=17dB/K，11米Ku主站天线接收端站频谱如下图所示。
可以推出以下结论：
-
端站至主站的链路C/No = 22+10*LOG(100*1000) = 72 dB；
-
端站至主站的上行链路C/No u = 72 – 2 = 70 dB，（取值2可参考功带平衡与载噪比回退）
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Ku端站上行EIRP = 70 - 228.6 + 207 – 17 = 31.4 dBW；
-
Ku端站功放输出功率P = 31.4 – 36 = -4.6 dBW；
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按照功带平衡时主站接收C/N ≤ 16dB估算，Ku端站最小符号速率为Rs min = 10^((72-16)/10) = 398107 Baud = 0.4 Mbaud；
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按照功带平衡时主站接收C/N ≤ 16dB估算，Ku端站发4Mbaud符号速率时，MODEM输出功率不能超过 -40 + 10*LOG(4/0.4) = -30dBm；
-
按照某编码调制误码率条件下，门限Eb/No = 4dB，预留3dB估算，Ku端站功放达到额定输出9dBW时可传输的最大数据速率Rb max = 10^((72+(9+4.6)-4-3)/10) = 72443596 bps = 72Mbps，此时MODEM输出功率=-40 + (9+4.6) = -26.4dBm。
天线主要参数指标
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天线的前后比是指主瓣的最大辐射方向（规定为0°）的功率通量密度与相反方向附近（规定为180°±30°范围内）的最大功率通量密度之比值F/B=10log(前向功率/后向功率)。
电下倾角是指通信天线的垂直辐射面上最大辐射指向与天线法线的夹角。
通信天线根据是否支持电下倾调节分为固定下倾天线和电调天线：固定下倾天线是指根据无线覆盖需求对天线辐射单元阵列进行幅度和相位的赋形产生的固定下倾角天线；而电调天线是指通过移相单元改变阵列中不同辐射单元的相位差，从而产生不同辐射主瓣下倾状态，通常电调天线的下倾状态仅在一定的可调角度范围内。
在方向图中通常都有两个瓣或多个瓣，其中最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣。主瓣两半功率点间的夹角定义为天线方向图的波瓣(束)宽度。称为半功率（角）瓣宽。主瓣瓣宽越窄，则方向性越好，抗干扰能力越强。一般说来，天线的主瓣波束宽度越窄，天线增益越高。
天线增益和天线尺寸及波束宽度的关系：
将“轮胎”压扁，信号就越集中，增益就越高，天线尺寸就越大，波束宽度越窄。
→ 天线增益特别需要关注的3个要点
1、天线是无源器件，不能产生能量。天线增益只是将能量有效集中向某特定方向辐射或接受电磁波的能力。
2、天线的增益由振子叠加而产生。增益越高，天线长度越长。增益增加3dB，体积增大一倍。
3、天线增益越高，方向性越好，能量越集中，波瓣越窄。
天线的电压驻波(VSWR)比是把天线作为无耗传输线的负载时，在沿传输线产生的电压驻波图形上，其最大值与最小值之比。
驻波比的产生，是由于入射波能量传输到天线输入端并未被全部吸收（辐射）产生的反射波迭加而形成的。VSWR越大，反射越大，匹配越差。在移动通信系统中，一般要求驻波比小于1.5。
天线输入端信号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗。一般移动通信天线的输入阻抗为50Ω。
输入阻抗与天线的结构、尺寸以及工作波长有关，在要求的工作频率范围内，使输入阻抗的虚部很小且实部相当接近50Ω，这是天线能与馈线处于良好的阻抗匹配所必须。
互调现象是由频带外的两个或多个载波频率混频后落在频带内的新的频率分量，造成系统性能下降的现象。较高功率的发射信号通常会混合产生互调信号，最后进入接收波段，基站天线接收的信号通常功率较低。如果互调信号与实际的接收信号具有相近或较高的功率，系统会误把互调信号视为真实信号。
隔离度代表馈送到双极化天线一个端口(一种极化)的信号在另外一个端口(另一种极化)中出现信号的比例。
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