天線增益是指：在輸入功率相等的條件下，實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產生的信號的功率密度之比。它定量地描述一個天線把輸入功率集中輻射的程度。增益顯然與天線方向圖有密切的關係，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。天線增益是用來衡量天線朝一個特定方向收發信號的能力，它是選擇基站天線最重要的參數之一。一般來說，增益的提高主要依靠減小垂直面向輻射的波瓣寬度，而在水平面上保持全向的輻射性能。天線增益對移動通信系統的運行質量極為重要，因為它決定蜂窩邊緣的信號電平。增加增益就可以在一確定方向上增大網路的覆蓋範圍，或者在確定範圍內增大增益餘量。任何蜂窩系統都是一個雙向過程，增加天線的增益能同時減少雙向系統增益預算餘量。另外，表示天線增益的參數有dBd和dBi。DBi是相對於點源天線的增益，在各方向的輻射是均勻的；dBd相對於對稱陣子天線的增益dBi=dBd+2.15。相同的條件下，增益越高，電波傳播的距離越遠。一般地，GSM定向基站的天線增益為18dBi，全向的為11dBi。
基本介紹
- 中文名：天線增益
- 外文名：antenna gain
- 屬於：移動通信系統
- 分類：GSM
- 功能：衡量天線收發信號的能力
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簡述
當某種輻射源向空間輻射能量時，理想情況下能量是按球狀體散射開來，研究和實踐都發現，如果將這種能量輻射按某個方向集中發射，則能量所達到的距離以及該方向上所覆蓋的範圍都會有很大的提高。這種研究成果套用到無線通信中就是天線的由來。而天線增益則是用於定量的描述天線把輸入功率（能量）集中輻射的程度，從通信角度講，就是在某個方向上和範圍內產生信號能力的大小。
實際套用中，即使集中某個方向，天線還是會在空間各個方向都有大小不同的增益，天線增益通常是指產生最大增益的方向上的增益，數學上用公式
單位為dBi或者dBd，兩者的區別是參考基準不同，前者的參考基準是全方向性天線（在空間各個方向輻射特性相同的天線），後者的參考基準是偶極子天線（可以簡單理解為雙向天線）。為了更好的理解天線增益，用此公式舉例如下：要在空間某點產生一定大小的信號，用理想的輻射源如需126 W的輸入功率才能獲得，假設某個天線的增益為18 dBd，則用此天線需要輸入的功率大小用上面的計算公式列式為
從此公式可以得到，
按照對數的定義可得，
則可以計算得出天線的功率大小。
由此可見，天線增益其實表示的是將理想的輻射能量在空間某點上放大的效果，此例中就是相當於將2 W的輻射能量放大到了126 W輻射能量所達到的效果，從這一點上來看，天線增益與有源電路增益相比有本質區別：有源電路的增益是定量描述某個器件將某個數值的功率真實放大到多少倍的能力。
原理
可以這樣來理解增益的物理含義： 在一定的距離上的某點處產生一定大小的信號，如果用理想的無方向性點源作為發射天線，需要100W 的輸入功率，而用增益為G = 13 dB = 20 的某定向天線作為發射天線時，輸入功率只需100 / 20 = 5W 。換言之，某天線的增益，就其最大輻射方向上的輻射效果來說，與無方向性的理想點源相比，把輸入功率放大的倍數。
半波對稱振子的增益為G=2.15dBi。4 個半波對稱振子沿垂線上下排列，構成一個垂直四元陣，其增益約為G=8.15dBi( dBi 這個單位表示比較對象是各向均勻輻射的理想點源)。
如果以半波對稱振子作比較對象，其增益的單位是 dBd 。
半波對稱振子的增益為G=0dBd （因為是自己跟自己比，比值為1 ，取對數得零值。）垂直四元陣，其增益約為G=8.15 –2.15=6dBd 。
分析
為了比較天線接收信號的能力優劣。把無方向性的半波振子天線(其方向為兩個圓）的靈敏度定為0db，相比之下，靈敏度高方向性好的天線就出現了增益。
理想的全向天線的增益定義為1. 實際上所謂理想的全向天線在現實世界是不存在的，但是在此理想的條件下,可以很容易計算出在空間的微波功率分布情況。 與發射功率相同的一個實際的天線的最大輻射指向位置測得的功率相比，就可以得出天線的增益. 順便說一下，前面先生說半波振子是全向天線，增益為1 的說法不一定妥當，它在H面上是全向的，但在E面上，主瓣半功率寬度為90度，天線增益大於1。
天線的增益和有源電路的增益是有根本區別的。
天線增益的測量
測試設備為信號源，頻譜儀或其他信號接收設備和點源輻射器。
1．先用理想（當然是近似理想）點源輻射天線，加入一功率；然後再距離天線一定的位置上，用頻譜儀或接收設備測試接收功率。測得的接收功率為P1
2．換用被測天線，加入相同的功率，在同樣的位置上重複上述測試，測得接收功率為P2;
3．計算增益：G=10Lg(P2/P1)
就這樣，得到了天線的增益。
計算公式
1）天線主瓣寬度越窄，增益越高。對於一般天線，可用下式估算其增益：
G（dBi）=10Lg{32000/（2θ3dB,E×2θ3dB,H）}
式中， 2θ3dB,E與2θ3dB,H分別為天線在兩個主平面上的波瓣寬度；
32000 是統計出來的經驗數據。
2）對於拋物面天線，可用下式近似計算其增益：
G（dBi）=10Lg{4.5×（D/λ0）2}
式中，D 為拋物面直徑；
λ0為中心工作波長；
4．5 是統計出來的經驗數據。
3）對於直立全向天線，有近似計算式
G（dBi）=10Lg{2L/λ0}
式中，L 為天線長度；
λ0 為中心工作波長；
意義
天線增益不僅是天線最重要的參數之一，而且對無線通信系統的運行質量也非常重要，增加天線增益，就可以增大某個方向上的信號覆蓋範圍，或者範圍不變，但該範圍內的信號強度增強。對於單天線而言，要想提高天線的增益，最簡單的辦法就是將天線的發射方向進一步縮窄，就是所謂的縮窄波瓣寬度。而這種方法在實際套用中對系統性能改善畢竟有限。通常直接提升頻寬和頻譜的方法也會受到各種條件制約，也不能無限制地增加。在頻寬和頻譜不變的前提下，為了提高系統的用戶容量、數據吞吐量和覆蓋距離和範圍，智慧型天線技術和MIMO技術應運而生。其中智慧型天線技術利用多個天線組成天線陣列，利用天線之間的位置關係，通過向用戶傳送相同的數據，相當於某個方向上集中輻射能量，從而提高天線增益，而MIMO技術則在收發端都採用多個天線系統，利用多徑傳播等電磁波特性，發收不同數據，提高傳輸效率的同時，實現了空間復用。從天線增益角度看，也可以認為不增大單個天線增益，而是增加天線數量，從而獲得收發天線增益乘積的效果。另外，無論天線陣列還是MIMO技術在傳輸信號時都採用了分集的技術，而該技術能夠降低信號衰落的機會，減小信噪比的波動，從而獲取一部分額外的增益，稱之為分集增益。MIMO技術已經在基於LTE技術的4G網路中得到廣泛套用。
