Ansys博客
March 30, 2023
如何计算和提高天线增益
想象一个完美的球形天线。它在各个方向上均匀地辐射能量，在垂直和水平方向上的电磁场强度完全一样。它被称为各向同性辐射体，而扰流器——并不存在。与这种理想和假设的模型不同，现实世界中的每个天线都有一定的方向性，并能在特定的方向上发射更多的能量。表征这种集中发射功率的指标就是天线增益。
什么是天线增益？
天线增益是用来衡量与理论的各向同性辐射体对比，天线在任意方向上辐射信号的能力。天线增益是与各向同性天线对比的相对值，通常以分贝为单位（dBi）。虽然它与方向性密切相关，但它也考虑了天线的效率。
天线增益=方向性+效率
由于各向同性辐射体在所有方向上都均匀地发出相同的能量辐射，因此它被称为“无增益”，或0 dBi。只有在不浪费发射功率的情况下才能实现此值，这对于受电阻等因素影响的真实天线来说是不可能的。然而，良好的设计可以确保天线的增益符合其应用的需求。
图1：辐射的5G MIMO阵列。
高增益还是低增益更好？
增益似乎是您想要更多的东西，对吧？当然，更高的增益意味着更强的信号和更好的连接，但并非总是如此。在某些应用中，您实际上可能会获得过多增益。这完全取决于天线的使用方式。
传达远距离接收器的最佳选择无疑是高增益天线。由于信号必须传播很长的距离，因此需要增强信号，并将其直接指向目标。
但是，如果您需要更广泛的区域均匀接收信号（例如，体育酒吧中的无线网络），那么您其实不希望增益太高。这是因为增益是从一个方向获取能量，然后提升另一个方向的能量。所以，如果应用需要全向接入，则增益越低越好。简单来说：增益越高，信号传输距离就越远。增益越低，场方向图就越宽。
确定理想增益的其他因素是位置和信号源。高增益天线非常适合放置在高处或无障碍物的平坦区域。如果您不确定信号来自何处（例如移动设备），最好使用低增益天线。
如何计算天线增益
为了测量天线的增益，需要将信号发射时的功率与各向同性辐射器发射相同信号时的功率进行比较。计算天线增益的公式为：
GdBi = 10log10(G)
如何提高天线增益
如果您的应用可以受益于更高的增益，下面有几种方法可以提高增益：
- 尺寸：较大的天线可以捕获更多的无线电波。
- 数量：多个天线可以组合其信号（也称为天线阵列）。
- 表面：反射表面可以将电波重定向到天线。
- 形状：一些天线类型，例如八木天线，专为更高的增益而设计。
利用仿真预测天线增益
Ansys HFSS等仿真软件可以向工程师展示其设计变化如何影响天线增益。一旦确定影响，他们就可以进行调整以提高或降低增益，确保天线在制造之前满足既定的要求。进一步了解通过仿真优化天线设计。