对于天线来说,更高的 dBi 是否意味着更远的范围?

电器工程 蓝牙 无线上网 天线
2022-01-20 00:20:20

我最近从 SparkFun 为我的 Arduino购买了这个(非常昂贵的)蓝牙模块。在该项目的页面上,它说它已经在 100 m 处进行了测试。我联系了 SparkFun 以获取有关他们设置的信息,他们说要达到 100 m 范围,他们使用了这个 2.2 dBi 天线

我假设任何(2.4GHz)2.2 dBi 天线都会产生类似的 100m 结果:对吗?

但是,我有这个 7 dBi 天线如果我使用它,我能否获得比 2.2 dBi 天线更远的范围?

4个回答

是的,你会从 7 dBI 天线获得比 2.2dBI(特别是 4.8 dB)更高的信号强度。它通过比在所有方向均匀辐射 (0 dBI) 的创意天线更具方向性地辐射能量来解决这个问题。

增加的 4.8 dB 信号强度是 10^(4.8/10) = 3 倍的功率。在理想条件下,这将使您的射程增加约 70%。

由于它是定向的,因此您需要更仔细地指向它。具体来说,链接天线几乎是一根垂直线。它围绕天线辐射一圈;您的接收器不应高于或低于此平面。

您可以想象与您的视觉相似的天线。0dB 将被视为您,就像您没有任何人造物一样。

现在您决定使用一副双筒望远镜进一步观察。双筒望远镜的问题是你的观察范围没有你没有它们的那么大。但是,双筒望远镜很有帮助,它们可以让您看到以前看不到的东西。这类似于假设一个 2.2dB 天线。

现在你决定要看得更远,所以你拿出望远镜。您再次限制了视角,但为了看得更远,这是值得的。这就像一个 7dB 天线。

天线稍微复杂一点,它们的基线将是能够同时在所有方向(上、下、前、后,你的名字)上平等地看到。这种情况称为各向同性天线。这就是 dB 中的“i”的来源,也是我们的基线。

回到双筒望远镜和望远镜的例子,天线增加了复杂性,因为你一开始就可以看到完整的 360* 视图。你可以有一个天线,它的模式仍然可以让你看到前面、后面、左边和右边,但不能让你看到你的上方或下方。这种类型的天线可以有增益,因为你把上面和下面都剪掉了。在很大程度上,这仍将被视为全向天线,因为它仍然具有 360* 视图,但它不能很好地从天线的正上方或正下方接收。

我试图理解的基本概念是增益不能凭空出现,您必须牺牲天线方向图的某些部分才能为天线方向图的另一部分提供增益。

所以对于你的问题:

我认为任何(2.4GHz)2.2dBI 天线都会产生类似的 100m 结果

不必要。基本上你可以有一个 2.2dBI 天线,它有一个非常奇怪的天线方向图,这会导致你有很多零点,在这些地方你的范围很小,而其他区域可能有 100m 范围。要真正找出答案,您需要深入研究天线的数据表。

值得注意的是,天线制造商总是尽最大努力使自己的天线听起来比竞争对手更好。这意味着他们可能会以稍微不同的方式测量天线增益,以获得尽可能多的数字。使用任何好的天线,您都可以获得正确的天线方向图。

现有的答案主要解决了您的问题,但为了后代,我想澄清几件事。

您必须小心 dBi,因为它等于总辐射功率。不同的天线可以具有截然不同的效率。

dBi 告诉您的是与均匀和全向(各向同性)辐射的完美天线相比,所有可能方向的峰值增益。您还应该注意,这是一个比率,并且是对数刻度,因此 3 dB 是 2 倍,而 20 dB 是 100 倍(dBi 中的 i 表示各向同性)。

无论如何,要认识到的重要一点是,2.2 dBi 天线可能在每个方向上都有可怕的增益,除了它直接指向的方向(窄波束宽度),实际上辐射总功率比全向天线要少。*

当您处于视距 (LOS) 环境中时,这个峰值增益可能是最重要的,只要天线实际上正确指向另一根天线。** 但是,在室内和非视距环境中在视线 (NLOS) 环境中,您可以获得大量的多路径,这会产生疯狂的干扰模式——信号会从地板、天花板、冰箱、手机等处反弹,并且取决于您所处的位置,这些不同的反射可以建设性地或破坏性地增加,给你完全不同的接收功率。在这些 NLOS 环境中,天线的效率(总辐射功率)通常比方向性 (dBi) 更重要。


* 例如,完美的 3 dBi 天线(2x 增益)将在 180 度范围内辐射其所有功率,包括方位角和仰角(考虑半个球体)。这在现实中永远无法实现,因为它始终是增益的逐渐变化(特别是,当您查看波束模式时,它们通常会绘制 3 dB 线,热图会显示逐渐变化)。然而,在仅 18 度波束宽度内实现 3 dBi 增益的天线也将被视为 3 dBi 天线,即使它辐射的功率是 1/100(因为它的方位角是 1/10 宽,是 1/10海拔高)。

** 在没有任何其他物体/反射的情况下,另一根天线只会接收直接向其辐射的功率,因此任何其他方向的增益实际上并不重要。不过,实际上,即使有地面反弹,您也可以获得一些扭曲的干涉图案。

最后的想法——如果你看一个自由空间路径损耗计算器,例如https://www.pasternack.com/t-calculator-fspl.aspx,2.2 dBi 增益为你提供了大约 22 m 的额外范围(相同的路径损耗在0 dBi 天线为 78 m,2.2 dBi 天线为 100 m)。您的 7 dBi 天线会再提供 75 m,对于相同的路径损耗,最多可达 175 m。同样,这仅在理想的自由空间(无反射/吸收)和完美指向的天线中。

您还应该注意,如果天线增益过高,您可能会违反法律——FCC 将 2.4 GHz 频段中的未经许可的传输限制为 1 瓦 EIRP(等效全向辐射功率)。此外,在一定距离处,蓝牙协议实际上可能会开始失效,因为光速的延迟(在 175 m 处往返约 1 us)可能会破坏事物(尽管我对 WiFi 更熟悉)。

是的,各向同性意味着真正的“全向”。由于橡皮鸭或贴片天线具有零区,因此它在天线宽侧的某些方向上发送更多。此增益通常为 2~3dBi ......占其他方向的损耗。

高度定向的电视天线和卫星天线的起始范围通常为 16~24 dBi。峰值方向的增益和波束宽度是各向同性的权衡。

这对您意味着,当您处于边缘时,他们现在可以将目标提高 5dB,这是巨大的,让您进入无差错模式。但就像窄光束头灯一样,这也意味着如果距离较远且不知道路由器或手机信号塔的方向,则在您监控 RSSI 或手机上的接收信号强度指示器之前,您更有可能迷路。然而,对于 Wifi,它有双重用途。建立连接后,在某些情况下(例如 Apple 的 OSX),它会恢复为波特率而不是信号强度,如果您丢失了信号,那么您必须努力保持良好的连接。

对于在清晰的站点线中直接理想的“无干扰”点对点,5 dB 的改进意味着您的距离几乎可以翻倍。这在城市中很少发生,因此距离不如瞄准信号和远离干扰的能力重要。

如果想计算路径损耗,他们可能会使用“弗里斯传输方程”来计算路径损耗。在此处输入图像描述这不考虑接收器本底噪声、多​​路径盲区以及建筑物、树木、雨水等造成的路径损耗。

范围,R 以米为单位,λ 是发射机的波长 Ft 和天线 Gr,Gt 的增益。