浅谈 Wi-Fi 天线

在无线通信领域，信号发射器和信号接收器之间的通信是以空间的电磁波为介质，利用电磁波的磁场变化作为通信手段。而天线则是发射与接受电磁波信号的界面。我们使用不同种类的天线以改变无线信号在不同方向的发射或接收的强度。天线是无线网络不可或缺的部分，但往往为技术人员所忽视，甚至有很多前线人员对天线的技术参数有误解。我们一般在天线的技术规格会看到以下的资料：

• 增益(gain)
• 天线方向图 (Antennae Directional Pattern)
• 波束宽度(lobe width)
• 频率范围(frequency range)
• 覆盖半径 (coverage radius)
• 极化方式(polarization)
• 驻波比 (standing wave ratio)

接下来我们会谈一下在厂家的技术数据表里面经常看到的天线技术参数以及其意义。

1.增益 (gain)

在无线通信领域，我们需要表示绝对信号强度和相对信号强度。

• 常见的信号强度单位有：瓦(W)、毫瓦(mW)、dBm (与1mW 作对比)
• 相对信号强度 （比较）的单位有：dB 、dBi、dBd
  • dB = 10 x log₁₀(A/B) A 和 B 分别是两个点的信号强度
    • 3dB=10 x log(A/B)。 那么A/B=10的0.3次方 约为2倍。
    • 10dB的增益放大多少倍? 10db=10 x log(A/B). 那么A/B=10的1次方 10倍。
  • 一般我们会碰到 dBi 和 dBd 来代表天线的增益
    • dBi 是把天线的输出功率与各向同性辐射器（isotropic radiator）比较
    • dBd 是把天线的输出功率与偶极天线 (dipole antenna) 比较
    • dBi 与 dBd 的转换公式是 dBi = 2.14 + dBd

2.天线方向图 (Antennae Directional Pattern)

基于特定三维（通常指水平或垂直）平面，我们可以把天线分为两大基本类型：

• 全向天线（在平面中均匀辐射）
• 定向天线（又称指向天线，在某方向辐射较多）

我们可以通过天线方向图来了解并比较不同天线的电磁波辐射特性。

在解读天线方向图时，我们要注意以下几点：

• 图表的中央（圆形的中心点）代表天线的位置
• 图表显示不同方向天线的增益 （一般以dB、dBd 或dBi 为单位）
• 最外围的圆圈一般代表天线***的信号
• 水平方向图表 （H-面）- 英文又称为 azimuth chart。它显示由上而下的视角。
• 垂直方向图表 （E-面） - 英文称为 elevation chart。它显示侧面的视角。
• 图表并不显示实际距离或信号强度的绝对值
• 图表只显示各方向之间的相对信号强度关系

图 1A

图 1B

图 1A 和 1B 分别是一全向天线的H-面及 E-面的天线方向图。由于天线在水平方向的辐射都很平均，因此 H-面的图表是正圆形。图1C是该全向天线的辐射强度形状的3D 图形显示。

图 1C

[[220904]]

有一点我们需要非常小心的就是图表只是显示不同方位的辐射形状。这就像我们小时候的手影一样；手影只显示手的轮廓而不显示手的实际大小。

另外要注意的是图表的比例不代表相对覆盖范围。

公式 1

上图 -90 度方向的天线增益是 7.5dBi，-112 度方向的天线增益是 -2.5dBi。两个方向的增益差别为 ∆ = -10dBi。就是说，在与天线相同的距离时，-90 度方向所接受到的信号强度是 -112 方向的10 倍。基于平方反比定律，-90 度方向驱离天线100米位置所接收到的信号强度 是 相等于 -112 方向距离天线30 米位置所接收到的信号强度。

我们按照 ∆ = -10dBi = 0.3 把上图转换成线性比例：

现在我们再看这个图表便知道天线的垂直覆盖是很小的。

另一个常见的天线参数是“波束宽度”（又名：波瓣宽度），英文是 lobe width 或 beam width。天线的无线电波辐射在水平方向及垂直方向上形成扇面的张开角度。通常情况下以比***辐射方向上的功率下降3dB的两个方向之间的夹角为波瓣宽度，因此又称为半功率角。

一般的天线厂商都会在天线规格表中列出垂直及水平半功率角。让我们看看按照天线辐射方向图计算半功率角的方法：

图 1：计算半功率角

1. 首先我们要确定天线方向图的正确比例；同心圆行之间的距离代表多少 dB 的相对信号强度差别。在图1中，你可以看到表示 -10 dB、-20 dB 及 -30 dB 的同心圆形边界线。这表示相对于***信号的衰减。
2. 我们首先要找出方向图表中代表***信号的位置。在图1中，***信号是A箭头所指的位置。
3. 接着我们从1号箭头的位置往左右移动 （B箭头的方向）直至到在距离A箭头 3 dB 的位置停住 （C箭头所表示的两点）。
4. 在两点C箭头的位置各画1条直线到图表中心（天线）的位置
5. 上图虚线的角度便是半功率角 （约30^o 左右）