天線增益解釋

天線的「增益」一詞考倒了許多人，甚至某些進階的射頻工程師。法律條文規定「有效幅射功率 (ERP) 不得超過 ... 」，這是根據天線的輸入乘以天線增益。有一種概念是當天線表現出增益時，天線像神奇地在本身創造了功率。可惜事實並非如此。如果檢驗天線，會注意到它是由基本材料建構而成的，最好的是金、銀、銅，然後就是鋁。這些材料本身不會創造功率。

在我們進入解釋之前，需要定義一些術語以協助解釋天線增益。

分貝 (dB) ：損失或增益的計算單位。增益為正值，損失為負值，它等於

10*log(Pout/Pin)

天線增益 ：輻射在最高點的相對增加，以分貝值表示其超過標準值的部份，基本天線是半波長的偶極天線 ( 雙極 ) ，其他天線依此測量。參照值為 0dBD ( 零分貝是以偶極天線為參照 ) 。因此有效發射功率為輸入功率兩倍的天線，其增益為 10*log(2/1) = 3dBD 。

一個注意的警告：有第二個「參照值」使用在天線增益數字中，但它只是用來提供一個比真正達到的數字還要高的天線增益數字。它被稱為 dBi ，代表一個輻射以球形平均發射 ( 所有方向均相等 ) 之假想全向天線的天線增益。它增加了 2.14dB 的天線增益數字，這是偶極天線之於全向天線多出來的「增益」，但是這不是一個真正的領先！在 Cheating with Antenna Gain ( 天線增益的作弊 ) 報告中有更詳細的說明。

輻射場型 ：一個輻射強度與垂直角度的圖形化表示。圖形通常是圓形的，根據與中心的距離和相對應的角度來表示強度。

在此頁中的所有輻射場型都是將天線元件垂直安裝，並從側面看 ( 即天線的右側角度 ) 看到一側。

 

輻射角度： 已被普遍接受的是波束寬度是兩點之間的角度 ( 在同一平面 ) 在那裡輻射降至「半功率」，即較最大輻射點低 3dB 。使用 3dB 以外的數字對天線的表現沒有什麼好處，因為這可能給人一種天線具有更寬 / 更窄波束的印象，如果嚴肅一點的工程師著眼於這一點，他會理所當然的懷疑其設計。

覆蓋範圍 ：在仍然可以接收訊號的程度下的實際地理範圍，通常被描述天線站點的半徑距離。




首先讓我們拿一條標準半波長偶極天線並將它「懸空」在開放空間 ( 即忽略所有可能影響天線的環境，例如：安裝桿等）。在這種天線的輻射場型通常被稱為「甜甜圈」，如相鄰的圖所示。 


 

由於材料無法創造功率，唯一的另一種方法是把重點放在浪費的能源，例如：將朝天上飆去的功率朝向水平面上更有益的方向。結果顯示在相鄰的圖片。在這裡，輻射的形狀被改變了，最外面的能源集中到中間一半，其結果是輻射能源沿著所需的平面增加了一倍，或是有效地 3dB 增益。



 

這樣的集中可以進一步加強，如此可以達到 6dB (4 倍 ) 到 9dB (8 倍 ) 的增益。其結果的兩個輻射場型如下圖所示。

 

可以看出，讓天線有「增益」的方法只是把重點放在輻射 ( 即將甜甜圈壓扁成煎餅 ) ，從而沿著水平加強了輻射強度。超出 9dB 的全向輻射天線和增益是不實用的，因為事實是集中是直接與天線的長度 ( 波長 ) 有關。但是現在有一個進一步集中的方法，就是只在一個方向加強輻射。



如果在偶極天線旁邊放一個反射器，所有往反射器方向發射的能源，現在都反射回到偶極天線的方向。這使得所有的能源只出現在一個半球，其結果是輻射能源在此方向增加了一倍，或是 3dB 增益。

可以透過再使用「導波器」進一步集中，讓角度越來越小，即將所有輻射擠到同一個方向，達到更高的增益。在這裡達到 20dB 的增益是很實用的。然而這種天線的有效角度很小 ( 一般為 ± 10 度 ) 。
 

關於定向天線，還有一個數字要記住。 

前後比： 大多數定向天線的驅動元素是一條具典型「甜甜圈」形輻射場型的偶極天線在垂直軸。這個想法，如圖所示，是利用這個圓環形的輻射場型，並將它擠成在天線前的一道光束。反射器通常只是一個單桿，也可能是很多桿子。即使是一堆反射器，也無法阻止所有沒用的能源從裂縫中漏出！有些會被發射向後方 ( 或對反射器來說，繞過反射器然後被偶極天線攔截 ) 。記住，在開放空間時，偶極天線對於此方向和天線前面的方向的敏感度是相同的，而且它的自然傾向就是要繼續甜甜圈的場型。 

因為「衍射」的關係，即使是實心金屬板作為反射器也不會將前後完全隔離。沒錯，在金屬的最尖端會造成某些訊號在反射器的邊緣向後「彎曲」 ( 或對反射器來說，從後面往偶極天線 ) 。
此前後差異的比率是參考天線前面 ( 要的 ) 方向來定義的，通常以 dB 表示。 

結語：

天線不會神奇地創造功率，它只是將輻射射頻集中到較窄的場型，因此從需要的方向看起來，天線好像發出更多功率。

可以看出「收益」也是「損失」。天線的增益越高，使用的有效角度越小。這是人們會忘記的部份，也就是說它們從其他方向搶來了功率，然後疊加在需要方向的幅射上。

這直接影響了特定功能的天線選擇。有關如何選擇正確的天線處理，請造訪 選擇正確的天線 。