ANSYS 部落格
March 30, 2023
如何計算和增加天線增益
想像一個完美的球形天線。可在每個方向均等地發射能量，並在垂直或水平方向均勻地提供相同電磁強度。這稱為等向放射體，然而要讓您失望了，這樣的東西並不存在。現實世界與這種理想化的假設模型不同，每個天線都有一定的指向性，並會在特定方向發射較多能量。測量這種集中功率的方式稱爲天線增益。
什麼是天線增益？
天線增益是指相較於理論等向放射體，天線在任何方向發射訊號的能力量值。天線增益通常以相對於等向的分貝 (dBi) 表示。雖然與指向性密切相關，但天線增益也考慮了天線的效率。
天線增益 = 指向性 + 效率
由於等向放射體在所有方向均勻發出相同的能量輻射，因此被稱爲「無增益」或「0 dBi」。這樣的數值只有在不浪費任何傳輸功率的情況下才可能實現，這對受到電阻等因素影響的現實天線來說，是不可能實現的。但是好的設計可確保天線增益符合其應用需求。
圖 1.5G MIMO 陣列。
高增益還是低增益比較好？
聽起來增益是越多越好，是嗎？當然，增益越高表示訊號越強，連線也就越好，但實際上並非總是如此。在某些應用中，增益其實是會過多的。這取決於天線的使用方式。
想將訊號傳至遠處的接收器，最佳選擇絕對是高增益天線。由於訊號必須通過很長距離，所以必須加強訊號，並且直接指向目標。
但如果您需在寬廣的區域 (例如運動酒吧中的無線網路) 中讓訊號能夠被平均接收，就不需要太多增益。這是因爲增益是從某個方向拿走能量，來強化特定方向的能量。如果應用需要全向發射，增益則越低越好。簡單地說：增益越高，訊號就能傳送得更遠。增益越低，場型就能越寬廣。
決定理想增益的其他考慮因素包括位置和訊號源。高增益天線適合放置在高處或無障礙物的平坦區域。如果您不確定訊號來自哪裡 (例如使用行動裝置)，低增益天線會是較好的選擇。
如何計算天線增益
若想測量天線增益，請將傳輸訊號功率與等向放射體傳輸相同訊號的功率進行比較。計算天線增益的公式爲：
GdBi = 10log10(G)
如何增加天線增益
如果高增益對您的應用有所幫助，您可透過幾種方法增加增益：
- 大小：較大的天線可捕捉較多無線電波。
- 數量：多個天線可結合訊號 (也稱爲天線陣列)。
- 表面：反射表面可將電磁波導向至天線。
- 形狀：部分天線類型 (如八木天線) 專爲較高增益而設計。
以模擬預測天線增益
模擬軟體 (如 Ansys HFSS) 可向工程師展示設計中的變更將如何影響天線增益。確認之後，工程師便可進行調整來增加或減少增益，在開始打造前就先確保天線能夠符合規定的要求。深入瞭解以模擬進行天線設計最佳化。