淺談 Wi-Fi 天線
在無線通信領域，信號發射器和信號接收器之間的通信是以空間的電磁波為介質，利用電磁波的磁場變化作為通信手段。而天線則是發射與接受電磁波信號的界面。我們使用不同種類的天線以改變無線信號在不同方向的發射或接收的強度。天線是無線網絡不可或缺的部分，但往往為技術人員所忽視，甚至有很多前線人員對天線的技術參數有誤解。我們一般在天線的技術規格會看到以下的資料：
- 增益(gain)
- 天線方向圖 (Antennae Directional Pattern)
- 波束寬度(lobe width)
- 頻率范圍(frequency range)
- 覆蓋半徑 (coverage radius)
- 極化方式(polarization)
- 駐波比 (standing wave ratio)
接下來我們會談一下在廠家的技術數據表里面經常看到的天線技術參數以及其意義。
1.增益 (gain)
在無線通信領域，我們需要表示絕對信號強度和相對信號強度。
- 常見的信號強度單位有：瓦(W)、毫瓦(mW)、dBm (與1mW 作對比)
- 相對信號強度 （比較）的單位有：dB 、dBi、dBd
- dB = 10 x log10(A/B) A 和 B 分別是兩個點的信號強度
- 3dB=10 x log(A/B)。 那么A/B=10的0.3次方 約為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。
- 一般我們會碰到 dBi 和 dBd 來代表天線的增益
- dBi 是把天線的輸出功率與各向同性輻射器（isotropic radiator）比較
- dBd 是把天線的輸出功率與偶極天線 (dipole antenna) 比較
- dBi 與 dBd 的轉換公式是 dBi = 2.14 + dBd
- dB = 10 x log10(A/B) A 和 B 分別是兩個點的信號強度
2.天線方向圖 (Antennae Directional Pattern)
基于特定三維（通常指水平或垂直）平面，我們可以把天線分為兩大基本類型：
- 全向天線（在平面中均勻輻射）
- 定向天線（又稱指向天線，在某方向輻射較多）
我們可以通過天線方向圖來了解并比較不同天線的電磁波輻射特性。
在解讀天線方向圖時，我們要注意以下幾點：
- 圖表的中央（圓形的中心點）代表天線的位置
- 圖表顯示不同方向天線的增益 （一般以dB、dBd 或dBi 為單位）
- 最外圍的圓圈一般代表天線***的信號
- 水平方向圖表 （H-面）- 英文又稱為 azimuth chart。它顯示由上而下的視角。
- 垂直方向圖表 （E-面） - 英文稱為 elevation chart。它顯示側面的視角。
- 圖表并不顯示實際距離或信號強度的絕對值
- 圖表只顯示各方向之間的相對信號強度關系
圖 1A
圖 1B
圖 1A 和 1B 分別是一全向天線的H-面及 E-面的天線方向圖。由于天線在水平方向的輻射都很平均，因此 H-面的圖表是正圓形。圖1C是該全向天線的輻射強度形狀的3D 圖形顯示。
圖 1C
有一點我們需要非常小心的就是圖表只是顯示不同方位的輻射形狀。這就像我們小時候的手影一樣；手影只顯示手的輪廓而不顯示手的實際大小。
另外要注意的是圖表的比例不代表相對覆蓋范圍。
公式 1
上圖 -90 度方向的天線增益是 7.5dBi，-112 度方向的天線增益是 -2.5dBi。兩個方向的增益差別為 ∆ = -10dBi。就是說，在與天線相同的距離時，-90 度方向所接受到的信號強度是 -112 方向的10 倍。基于平方反比定律，-90 度方向驅離天線100米位置所接收到的信號強度 是 相等于 -112 方向距離天線30 米位置所接收到的信號強度。
我們按照 ∆ = -10dBi = 0.3 把上圖轉換成線性比例：
現在我們再看這個圖表便知道天線的垂直覆蓋是很小的。
另一個常見的天線參數是“波束寬度”（又名：波瓣寬度），英文是 lobe width 或 beam width。天線的無線電波輻射在水平方向及垂直方向上形成扇面的張開角度。通常情況下以比***輻射方向上的功率下降3dB的兩個方向之間的夾角為波瓣寬度，因此又稱為半功率角。
一般的天線廠商都會在天線規格表中列出垂直及水平半功率角。讓我們看看按照天線輻射方向圖計算半功率角的方法：
圖 1：計算半功率角
- 首先我們要確定天線方向圖的正確比例；同心圓行之間的距離代表多少 dB 的相對信號強度差別。在圖1中，你可以看到表示 -10 dB、-20 dB 及 -30 dB 的同心圓形邊界線。這表示相對于***信號的衰減。
- 我們首先要找出方向圖表中代表***信號的位置。在圖1中，***信號是A箭頭所指的位置。
- 接著我們從1號箭頭的位置往左右移動 （B箭頭的方向）直至到在距離A箭頭 3 dB 的位置停住 （C箭頭所表示的兩點）。
- 在兩點C箭頭的位置各畫1條直線到圖表中心（天線）的位置
- 上圖虛線的角度便是半功率角 （約30o 左右）
