简易天线增益测量系统

天线测量通常在微波暗室中进行，然而有时候对于无线电爱好者，或者一些消费类电子产品开发者而言租用微波暗室和测量仪器的费用实在是太昂贵了，本文针对这些情况，介绍下如何搭建简易廉价的天线增益测量系统。

理论基础

电磁波Friis传输公式为我们提供了理论支持，其形式如下：
$P_r$=$P_t$+$D_t$+$D_r$+$20lo{g}_{10}$$(\lambda /(4d\pi ))$
公式1 [1]

其中：
Pr是接收功率；
Pt是发射功率；
Dt是发射天线的方向性；
Dr是接收天线的方向性；
$\lambda$是电磁波波长；
d是发射天线到接收天线的距离；

天线方向性与增益

上面的公式中并没有出现增益，只出现了方向性，但是事实上天线的增益和方向性是有确定关系的，其数学描述为：
$Gain$=$Efficiency$$\times$ $Directivity$
公式2 [2]
如果一个天线的效率足够高，近似于100%，那么公式1就可以近似为：

$P_r$=$P_t$+$G_t$+$G_r$+$20lo{g}_{10}$$(\lambda /(4d\pi ))$
公式3

如果使用相同的天线作为收发天线，则有：
$P_r$=$P_t$+$2G_t$+$20lo{g}_{10}$$(\lambda /(4d\pi ))$
公式4

可得：
$G_t$=$($ $P_r$-$P_t$-$20lo{g}_{10}$$(\lambda /(4d\pi ))$ $)$ $/2$
公式5

由此可知只要确定了$P_r$和$P_t$就可以计算出天线的增益。

搭建测量系统

我们使用一个信号发生器，一个功率计来构建这样的测试系统，如图1所示，设置信号发生器的频率为3GHz，如图1所示。根据厂家的数据手册可知其发射功率为-3dBm，采用的信号源为GFSigGen01，官方链接为：https://item.taobao.com/item.htm?id=618499375134。

图1：GFSigGen01信号源
将两个待测天线分别和信号发射器、功率计相连，如图2所示。在测量天线时，应尽量保证周围没有金属等强反射体，本文仅是做验证性试验，在仓库简单搭建系统。

图2：天线增益测试现场

功率计采用GFPwr01，如图3所示。官方链接为：https://item.taobao.com/item.htm?spm=a2oq0.12575281.0.0.50111debJYx4yE&ft=t&id=595593411860

图3：功率计GFPwr01

两个天线相距1m，固定好天线后，接通信号源，并读取功率计的读数为-33.96dBm，如图3所示。信号源输出功率为Pt=-3dBm，功率计一端接收到的功率为Pr=-33.96dBm，代入公式5可计算出天线增益为5.5dBi。

搭建验证系统

为了验证测量的准确度，我们使用新购买的中电41所的微波综合分析仪4957D进行测试，如图1所示，经测量其Pr-Pt的数值为-29.8dB，代入公式5，可得天线增益为6.1dBi。对比上面的简易测量系统，对于简单的应用可以接受其误差。

小结：
对于专业的射频设计企业，通常会有专业的测量设备，可以进行较为精确的测量，而对于非射频公司，购买这些设备则需要花费很多很多的经费，比如我们新购买的微波综合分析仪4957D，性能非常好，价格较国外品牌便宜很多，但是仍然是一台有一定价格的仪器，我们也帮周边的公司做了很多测试。而本文提供一种简易的测量方案，供爱好者和小公司作参考，对于精确度不高的应用，可以考虑搭建这样简单的测试系统进行测试。

作者：潇洒的电磁波（专业：射频芯片设计、雷达系统、嵌入式。欢迎大家项目合作交流。）
微信：GuoFengDianZi

引用：
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Friis_transmission_equation， 2020年8月3日
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Antenna_gain， 2020年8月3日