Question

天线增益和天线效率

Answer 1

物联网领域的发展离不开无线通信技术，无线通信技术的发展越来越追求低功耗、长距离，这些都离不开天线技术。本文主要厘清天线几个基本概念。

天线的原理是利用高频交变电流，变化的电场产生变化的磁场，变成的磁场产生变化的电场，不断激发形成无线电磁波传输。

dbm翻译成中文是分贝毫瓦，是一个表示无线功率的绝对值。它的数值是以1mw功率为基准的一个比值。计算公式如下：dbm=10log（p/1mw）。比如：WIFI路由器的功率是100mw，那么它的发射信号强度就是20dbm。
例如CC2642芯片的最大发射功率是5dBm，换算成毫瓦即 10^0.5=3.1mW；nRF52840最大发射功率8dBm，即6.3mW。0dBm对应1mW

常用的两种理想天线叫 均向辐射体 和 双偶极子天线

各向同性辐射体 (英文名：isotropic antenna)是电磁波或声波的理论点源，其在所有方向上辐射相同强度的辐射。它没有首选的辐射方向。它在以辐射源为中心的球体上向各个方向均匀辐射。
现实中并不存在理想的辐射点源，但是一些尺寸比较小的天线在较远的距离上可以看作均向辐射体。

偶极子天线（英文名：Dipole antenna或doublet）由一对对称放置的导体构成，导体相互靠近的两端分别与馈电线相连。 用作发射天线时，电信号从天线中心馈入导体；用作接收天线时，也在天线中心从导体中获取接收信号。偶极子天线是在无线电通信中，使用最早、结构最简单、应用最广泛的一类天线。

理想的天线可以将所有能量发射出去，实际中的天线可能由于阻抗匹配等原因，只能发射一部分能量，另一部分损耗了。天线效率指的是天线发射出去的功率占输入功率的比例，总是小于100%。

不同的天线其波束形状各不相同，天线增益是描述天线方向性+天线效率的一个综合指标。天线增益定义为在信号最强的方向上，信号的发射强度，与相同功率驱动的理想均向辐射体的信号强度的比值(dBi)，或者与相同功率驱动的双偶极子天线在最强方向上信号强度的比值(dBd)。
理想的双偶极子天线增益为2.15dBi，因此Gain(dBd)=Gain(dBi)-2.15
天线增益可以很大，也可以很小，主要取决于天线的方向性，以及天线效率。

例如下图是一个典型板载偶极天线的测试报告，可以看到，天线效率是43%，天线增益是3.43dBm。此天线有方向性，在最强的方向上，其发射功率比理想均向辐射体强大约一倍多，但是更多的方向上要比均向辐射体弱。

关于BLE设备信号传输距离的估算， 官方网站 给出了一个估算器，结合模式，发送功率，天线增益，可以计算出通信距离范围

https://new.qq.com/omn/20210404/20210404A027J400.html
https://zhuanlan.zhihu.com/p/360479857
https://zhuanlan.zhihu.com/p/367186279
https://www.antenna-theory.com/cn/basics/gain.php