外置天线选择指南：了解终端天线尺寸与增益之间的关系

前言

天线的尺寸和工作频率共同决定了外置全向终端天线的增益性能。全向外置天线所标称的 2dBi、3dBi 或 5dBi 增益数值，与其工作频率和天线长度密切相关。

当天线的电尺寸不足时，其全向增益指标往往难以达到预期。本文将从常见的 2dBi 和 3dBi 天线所需的物理长度入手，帮助理解天线增益与尺寸之间的基本关系。

什么是天线增益？

天线增益指的是天线将信号集中到特定方向的能力。它就像一种放大器，能够帮助将信号集中在某个特定方向，从而使信号更加强大且传播范围更广。

在电磁学中，天线的增益是一个重要的性能参数，它综合了天线的定向性和辐射效率。增益或“绝对增益”定义为：“在特定方向上接收到的辐射强度与如果天线接收到的功率均匀分布在各个方向上所产生的辐射强度之比”。通常，这个比值用分贝来表示，基准是各向同性的辐射源（dBi）。

天线的尺寸与增益之间有什么关系呢？

低增益（≤2dBi）的外部全向天线，可安装在终端设备上

（一）实现方式

在终端设备中广泛使用的低增益外置全向天线，从结构原理上主要分为单极子（地依赖型）和偶极子（地不依赖型）两类。

1、地依赖型天线（以单极子天线为例）

定义： 指需要借助设备的地平面（如终端中的金属部件或接地层）来形成完整辐射回路的天线。

典型的单极子天线由一根垂直于接地面的金属辐射体构成，其长度通常约为工作波长的四分之一（λ/4），辐射特性受地平面尺寸和形状影响。

2、不依赖地型天线（以偶极子天线为例）

定义： 指自身即可形成完整的电磁振荡和辐射系统，无需依赖外部地平面来完成辐射过程的天线。

偶极子天线由两根长度相等、粗细相同的金属导体对称排列，两臂在中间馈电点处隔开并相互绝缘，构成平衡结构。

（二）实物特征

通常，2dBi 以下增益的全向终端天线在物理尺寸上较为小巧轻便，适合嵌入式或便携设备。 若要求获得 3dBi 以上的全向增益，天线的长度通常比 2dBi 天线更大，以便容纳更多的辐射单元或增加辐射体电长度。

*注：若对增益要求不高，可采用螺旋、倒F等小型化形式以缩短物理长度。

二、高增益（≥3dBi）外部全向天线，适用于终端安装使用

（一）实现方式

当需要实现 3dBi 及以上的高增益外置全向天线时，单级单极子或偶极子通常难以满足，工程上多采用阵列技术，如同相共线阵列。

以常见的二元或三元共线阵为例，其高增益原理基于多个相同辐射单元（如偶极子）按一定间距沿直线排列，通过各单元辐射场的空间相干叠加，使得在水平面内保持全向的同时，垂直面波束压缩，从而提升增益。

例如，爱比速天线Aboosty的一些玻璃钢天线即采用偶极子共线阵结构。

从理论上讲，理想无损偶极子天线按此方式堆叠时，单元数量加倍，增益约增加 3.01 dB。然而在实际工程中，由于辐射单元间的互耦、馈电损耗及介质损耗等因素，实测增益通常低于该理论值。

（二）实物特征

高增益外置全向天线因采用多元阵列，外形上与低增益单辐射体天线有明显区别。

以室外 LoRa 基站用高增益全向天线为例，其通常由多个金属辐射单元（如偶极子）沿垂直支撑杆等间距排列，外部采用防水、防紫外、耐腐蚀的玻璃钢或工程塑料外罩封装，以适应户外长期工作环境。

（图示可参考典型玻璃钢天线外观）

结论：

总体而言，对于外置全向终端天线，在既定工作频率（由网络协议确定）下，增益与天线长度呈正相关。

工程经验：

当辐射体总长度约为工作频率半波长（λ/2）时，理论增益约为 2.15 dBi；

当总长度达到一个波长（λ）或以上时，才有可能实现 3 dBi 及以上的增益。

当然，实际增益还受材料导电性、制造公差、匹配电路以及周边环境等因素影响，但天线长度是其中最具决定性的参量之一。

FAQ问答：

1、终端天线增益越高越好吗？

答： 并非如此。 对于内置天线，因其往往位于设备内部且设备使用姿态不定，需要水平面各方向辐射均匀，以保证各方位接收信号稳定，故不宜片面追求高增益。 对于外置全向天线，若需在水平面保持全向覆盖，适当提高增益有助于接收更远信号，但高增益通常意味着天线长度增加、成本上升，且波束垂直面变窄，在俯仰角度上覆盖可能受限。若不限定全向覆盖，高增益则仅增强特定方向信号，可能影响其他方向的通信质量。因此，增益选择应结合具体应用场景综合评估。

2、为什么同一尺寸天线会存在增益差异？为什么你们的天线增益比其他厂家的低 1dB？如果终端客户要求天线增益达到 5dB，是否可以实现？

答： 增益差异可能源于测试环境（如暗室校准、测试距离）、安装条件（如地平面大小、馈线损耗）及设计侧重点（兼顾驻波比、效率与方向图圆度）的不同。 若我们的天线增益较其他厂家低约 1dB，通常是我们在设计时更注重水平面方向图的圆度（全向均匀性）和宽频带内的稳定性，而非仅追求峰值增益数值。 客户要求 5dBi 增益理论上可通过增加辐射单元数或优化匹配实现，但需综合评估成本、尺寸及交期，具体可协商定制。

3、天线外壳不变，我想增加 2dB 可以实现吗？

答： 在外壳尺寸不变的条件下，通过优化内部辐射结构（如调整馈电网络、改善匹配或更换低损耗材料），通常可小幅提升增益，但一般难以达到 2dB 的增量，实际优化空间往往在 1dB 以内。若要求严格增加 2dB，可能需重新设计天线形式或增大外壳尺寸。

4、高增益与低增益天线分别适用于哪些场景（例如：城市或郊区）？

答： 高增益天线更适用于郊区或空旷区域，其水平面波束较窄，垂直面覆盖角小，适合远距离点对点或点对多点通信，如基站远程覆盖、乡村宽带、高速公路沿线和无人机通信等。

低增益天线则适合城市或复杂电磁环境，其水平方向图较圆润，覆盖均匀，对多径反射有较好适应性，适用于城市物联网节点（如智慧路灯）、地下车库、商场内等信号反射强烈的场景。

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