什么是雷达天线的增益？

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天线的增益是雷达天线的一个重要参数，其反映了天线将输入功率集中辐射到某一方向的能力。要想理解天线增益的概念，需先理解天线的方向图、天线的方向性系数和天线效率的概念。

一

天线的方向图

天线的方向图就是天线辐射电场或功率的幅度随着空间坐标的函数分布图样。在工程上多数采用“功率方向图”描述天线的辐射特性。

天线的方向图是俯仰角Θ和方位角Φ的二元函数，因此是一个三维立体图形，它直观地显示了天线在空间中产生的辐射电磁场分布图样。

但是三维图形在工程应用中不方便，一般情况下采用将方向图投影到平面上，考察其中某个截面特征来研究天线的辐射特性，因此通常所说的“方向图”都是指二维平面图，其形态与花瓣有相似之处，故称之为“波瓣图”，它有两个主工作面“E”平面和“H”平面。

描述方向图最常用的参数就是波束宽度（或波束角），它是指天线的方向图中，低于峰值电平一定数值处所成夹角的宽度，通常有3dB波束宽度和10dB波束宽度等，3dB波束宽度也称为半功率波束宽度、半功率角。一般3dB波束宽度内的波束称为“主波束”或“主瓣”，这个范围内辐射能量最集中；主瓣以外的波瓣称为“旁瓣”、“副瓣”。

二

天线的方向性系数

天线的方向性是天线的重要特性之一。上面说的方向图只能表征一幅天线在所有角度上的辐射函数分布图样，而无法比较不同天线在同一方向上辐射能量集中的程度。天线的方向性系数是指在相同的辐射功率下，某个天线产生于某点的能量密度与参考天线在同一位置上产生的能量密度的比值，方向性系数用字母“D”表示。

发射天线的方向性系数，指在相同的辐射功率下，天线在最大辐射方向的发射能量密度与理想点源天线的发射能量密度的比值。方向性系数D的数学表达式为：

式中：Pr:天线的辐射功率

P0:理想点源天线的辐射功率

Er:天线在最大辐射方向的发射能量

E0:理想点源天线的发射能量

Sr:天线对应的能量密度

S0:理想点源对应的能量密度

Ar:天线对应的三维方向图表面积

A0:理想点源对应的三维方向图表面积

根据天线的互易性，也能从接收天线的角度来定义方向性系数D：在最大辐射方向上，在同一接收点接收能量密度相等的条件下，理想点源天线的辐射功率P0与天线的辐射功率Pr之比，称为该天线在该点的方向性系数，即：

天线在各个方向的辐射强度不同，方向性系数D也是角度坐标的函数，在辐射最强的方向上取得最大值。通常情况下，方向性系数D都是指最大辐射方向的方向性系数。所有实际天线的方向性系数都大于1，三维方向图的表面积越小，方向性系数越高。

方向性系数D还可以写成：

通常只要知道天线在两个主工作面的方向图，即可大体上确定天线的辐射特性。在工程实践中上式常被用于估算天线的方向性系数。

三

天线的效率

天线的效率是衡量天线将导行电磁波转化成辐射电磁波的有效程度。一般定义为辐射功率Pr与PA输入功率之比。

式中：Pr:天线的辐射功率

PA:天线的输入功率

Rr:天线的辐射电阻

Rloss:天线的辐射电阻

为了提高天线的效率，必须尽可能提高辐射电阻Rr所占的比例而降低损耗电阻Rloss所占的份额。损耗电阻主要来源于天线系统的导体损耗和介质损耗，工程上为了降低损耗电阻，常采用导电率高的金属材料（如铜、银、铝）和绝缘良好的介质材料（如聚四氟乙烯、氧化铝陶瓷等）来设计天线。

四

天线的增益

由上面可知，方向性系数表征天线的辐射能量集中程度，效率表征天线能量转换的能力，将两者结合成一个参数，同时表征天线这两种特性的总效益，这个参数就是天线的增益系数，简称“增益”，一般用大写英文字母“G”表示。

与方向性系数不同之处是，衡量天线增益时是在输入功率相等的条件下对两者进行比较的。这样，天线的增益定义为：在输入功率相同的条件下，天线在最大辐射方向上某一点产生的能量密度与理想点源天线在同一位置上产生的能量密度之比。即

根据天线的互易性，同样可以从接收天线的角度来定义天线的增益：在天线最大辐射方向上选择某固定点进行接收，确保在该点的接收功率相等的条件下，理想点源天线的输入功率P0和该天线的输入功率PA之比。即：

由于理想点源天线的效率为1，因此其输入功率就等于其辐射功率，可得：

由上式我们可以得出结论，即天线的增益同时表征了天线的方向性系数和天线效益系数这两种特性。天线增益通常使的单位是分贝（dB），分贝表示两个功率或场强之间的比值。增益的分贝值用天线在最大辐射方向上的功率密度与理想点源天线在同一距离处的功率密度之比的以10为底的对数再乘以10来表示。

可见，天线的增益表示了天线的方向性和信号能量的集中程度，是衡量天线在特定方向上辐射或接收电磁波能力的重要参数，反映了天线将输入功率集中辐射到某一方向的能力。主瓣越窄，旁瓣越小，能量就会越集中，那么天线增益越高。

增益高的天线能够在特定方向上提供更强的信号，或更强的接收能力，其方向图在该方向上也更尖锐，具有更窄的波束宽度，能够减少对其他方向的干扰；高增益天线有助于延长测量距离或提高接收灵敏度。通常，雷达液位计天线应具有高的增益和窄波束宽度，以提高探测精度和抗干扰能力，提高天线的增益在雷达探测中具有重要的意义。

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封面丨小黄

文字丨黄工、袁工、周工

图片丨阿刀

审核丨小田