[科普中国]-天线最大增益系数

天线最大增益系数是指在给定方向上产生相等辐射场强时，一个无损耗的各向同性天线的总输入功率与该天线的总输入功率之比。等于天线方向性系数和效率的乘积；或天线在某给定方向上的辐射功率通量密度与自由空间的无损耗半波偶极天线在相同输入功率时的最大辐射功率通量密度的比值，以dB表示。

简介天线最大增益系数，平时也简称天线最大增益或天线增益。指在最大场强方向上某点产生相等电场强度的条件下，标准天线（无方向）的总输入功率对定向天线总输入功率的比值，称该天线的最大增益系数。它是比天线方向性系数更全面的反映天线对总的射频功率的有效利用程度。并用分贝数表示。可以用数学推证，天线最大增益系数等于天线方向性系数和天线效率的乘积。

测量方法增益定量地表征了天线把输人功率集中辐射的能力，展示天线朝特定方向收、发电磁信息的品质，是天线最重要的电讯指标之一，也是分析天线、天线阵之间隔离度、交叉极化比等其他电磁性能参数不可缺少的工具。提高天线增益可以在某一确定方向扩大电波覆盖范围、 增加作用距离和强化威力 。因此，天线增益，特别是标准增益天线的设计、测试和标定在军用和民用实践中有较强的现实需求和较高的工程意义。天线增益的多种测试方法大体可分为绝对法和相对法类 。绝对法测天线增益需考虑测试馈线的插损、待测天线和检验天线 间的测试距离及影响测试精度的众多误差源。相对法测天线增益应事先具备已知增益频响的标准天线。用种方法计算种规格角锥喇叭天线增益出现的差别，促使人们有兴趣搞清究竟哪一种方法计算结果离真值更近。Friis传输公式是天线增益测试和标定的理论基础。它阐述了辐射远场，任意极化，任意最大值指向，作发射检验天线的端口与作接收待测天线端口间的能量传递关系。线极化天线增益通常采用“比较法”即相对法测试检验天线在处将发射馈线注人的恒定频率和功率的信号发射1。

比较法是将待测天线与己知增益的标准天线进行比较而测得其增益值的。定义增益时，以点源天线作比较标准，但辐射球状方向图的标准点源天线实际上难以实现。因此，测量时，通常是用有方向特性的天线（如半波偶极天线或喇叭天线等）作为比较标准。

镜象法是两相同天线法的一种变态，也是实现两相同天线法的一个具体措施。这种方法是将待测天线作发射，在其前方距离为R处放置一块大金属板，当金属板反射板足够大时，根据镜象原理，反射板的作用好象距发射天线ZR处有一个镜象天线存在一样，这个镜象天线就相当于一个接收天线。各种方法进行天线增益侧量时，除了仪器本身及收、发天线最大辐射方向是否对准所带来的误差外，主要误差来自于两个方面：第一，阻抗失配和极化失配；第二，近场效应和多径干涉。前者，可以通过精确测量反射系数和极化特性，然后对测得的增益值予以修正，从而把误差减至最小；后者，可通过增加收、发天线间的距离和采用地面反射测试场来减小测量误差或对测试结果进行修正。

意义天线增益不仅是天线最重要的参数之一，而且对无线通信系统的运行质量也非常重要，增加天线增益，就可以增大某个方向上的信号覆盖范围，或者范围不变，但该范围内的信号强度增强。对于单天线而言，要想提高天线的增益，最简单的办法就是将天线的发射方向进一步缩窄，就是所谓的缩窄波瓣宽度。而这种方法在实际应用中对系统性能改善毕竟有限。通常直接提升带宽和频谱的方法也会受到各种条件制约，也不能无限制地增加。在带宽和频谱不变的前提下，为了提高系统的用户容量、数据吞吐量和覆盖距离和范围，智能天线技术和MIMO技术应运而生。其中智能天线技术利用多个天线组成天线阵列，利用天线之间的位置关系，通过向用户发送相同的数据，相当于某个方向上集中辐射能量，从而提高天线增益，而MIMO技术则在收发端都采用多个天线系统，利用多径传播等电磁波特性，发收不同数据，提高传输效率的同时，实现了空间复用。从天线增益角度看，也可以认为不增大单个天线增益，而是增加天线数量，从而获得收发天线增益乘积的效果。另外，无论天线阵列还是MIMO技术在传输信号时都采用了分集的技术，而该技术能够降低信号衰落的机会，减小信噪比的波动，从而获取一部分额外的增益，称之为分集增益。MIMO技术已经在基于LTE技术的4G网络中得到广泛应用。

线方向图线方向图是表征天线辐射特征(场强振幅、相位、极化)与空间角度关系的图形。完整的方向图是一个三维的空间图形，它是以天线相位中心为球心(坐标原点)，在半径r足够大的球面上，逐点测定其辐射特性绘制而成。测量场强振幅，就得到场强方向图；测量功率，就得到功率方向图；测量极化，就得到极化方向图；测量相位，就得到相位方向图。三维空间方向图的测绘十分麻烦，实际工作中，一般只需测得水平面和垂直面的方向图就行了。垂直面方向图是包含线极化波电场矢量与天线轴线平面上的方向图，水平面方向图是包含磁场适量与天线轴线平面上的方向图。垂直面和水平面是相互垂直的两个平面。方向图有主瓣和若干个副瓣。最靠近主瓣的副瓣是称为第一副瓣，通常它的电平是副瓣当中最高的一个，因此要加以限制，如6米天线的接收站要求它低于主瓣14dB(国标)。天线方向图可以用极坐标绘制，也可以用直角坐标绘制。极坐标方向图的特点是直观、简单，从方向图可以直接看出天线辐射场的空间分布特性。但当天线方向图的主瓣窄而副瓣电平低时，直角坐标绘制法显示出更大的优点。因为直角的横坐标和表示辐射强度的纵坐标均可任意选取,例如即使不1度的主瓣宽度也可能清晰的表示出来,而极坐标却无法绘制。因而在各种天线方向图的测量中,普遍采用直角坐标来绘制方向图2。

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学