什么是雷達天線的增益？
天線的增益是雷達天線的一個重要參數，其反映了天線將輸入功率集中輻射到某一方向的能力。要想理解天線增益的概念，需先理解天線的方向圖、天線的方向性系數和天線效率的概念。
- 天線的方向圖：
天線的方向圖就是天線輻射電場或功率的幅度隨著空間坐標的函數分布圖樣。在工程上多數采用“功率方向圖”描述天線的輻射特性。天線的方向圖是俯仰角Θ和方位角Φ的二元函數，因此是一個三維立體圖形，它直觀地顯示了天線在空間中產生的輻射電磁場分布圖樣。但是三維圖形在工程應用中不方便，一般情況下采用將方向圖投影到平面上，考察其中某個截面特征來研究天線的輻射特性，因此通常所說的“方向圖”都是指二維平面圖，其形態與花瓣有相似之處，故稱之為“波瓣圖”，它有兩個主工作面“E”平面和“H”平面。
描述方向圖最常用的參數就是波束寬度（或波束角），它是指天線的方向圖中，低于峰值電平一定數值處所成夾角的寬度，通常有3dB波束寬度和10dB波束寬度等，3dB波束寬度也稱為半功率波束寬度、半功率角。一般3dB波束寬度內的波束稱為“主波束”或“主瓣”，這個范圍內輻射能量最集中；主瓣以外的波瓣稱為“旁瓣”、“副瓣”。
- 天線的方向性系數：
天線的方向性是天線的重要特性之一。上面說的方向圖只能表征一幅天線在所有角度上的輻射函數分布圖樣，而無法比較不同天線在同一方向上輻射能量集中的程度。天線的方向性系數是指在相同的輻射功率下，某個天線產生于某點的能量密度與參考天線在同一位置上產生的能量密度的比值，方向性系數用字母“D”表示。
發射天線的方向性系數，指在相同的輻射功率下，天線在最大輻射方向的發射能量密度與理想點源天線的發射能量密度的比值。方向性系數D的數學表達式為：
式中：
Pr:天線的輻射功率
P0:理想點源天線的輻射功率
Er:天線在最大輻射方向的發射能量
E0:理想點源天線的發射能量
Sr:天線對應的能量密度
S0:理想點源對應的能量密度
Ar:天線對應的三維方向圖表面積
A0:理想點源對應的三維方向圖表面積
根據天線的互易性，也能從接收天線的角度來定義方向性系數D：在最大輻射方向上，在同一接收點接收能量密度相等的條件下，理想點源天線的輻射功率P0與天線的輻射功率Pr之比，稱為該天線在該點的方向性系數，即：
天線在各個方向的輻射強度不同，方向性系數D也是角度坐標的函數，在輻射最強的方向上取得最大值。通常情況下，方向性系數D都是指最大輻射方向的方向性系數。所有實際天線的方向性系數都大于1，三維方向圖的表面積越小，方向性系數越高。
方向性系數D還可以寫成：
通常只要知道天線在兩個主工作面的方向圖，即可大體上確定天線的輻射特性。在工程實踐中上式常被用于估算天線的方向性系數。
- 天線的效率：
天線的效率是衡量天線將導行電磁波轉化成輻射電磁波的有效程度。一般定義為輻射功率Pr與PA輸入功率之比。
式中：
Pr:天線的輻射功率
PA:天線的輸入功率
Rr:天線的輻射電阻
Rloss:天線的損耗電阻
為了提高天線的效率，必須盡可能提高輻射電阻Rr所占的比例而降低損耗電阻Rloss所占的份額。損耗電阻主要來源于天線系統的導體損耗和介質損耗，工程上為了降低損耗電阻，常采用導電率高的金屬材料（如銅、銀、鋁）和絕緣良好的介質材料（如聚四氟乙烯、氧化鋁陶瓷等）來設計天線。
- 天線的增益：
由上面可知，方向性系數表征天線的輻射能量集中程度，效率表征天線能量轉換的能力，將兩者結合成一個參數，同時表征天線這兩種特性的總效益，這個參數就是天線的增益系數，簡稱“增益”，一般用大寫英文字母“G”表示。
與方向性系數不同之處是，衡量天線增益時是在輸入功率相等的條件下對兩者進行比較的。這樣，天線的增益定義為：在輸入功率相同的條件下，天線在最大輻射方向上某一點產生的能量密度與理想點源天線在同一位置上產生的能量密度之比。即：
根據天線的互易性，，同樣可以從接收天線的角度來定義天線的增益：在天線最大輻射方向上選擇某固定點進行接收，確保在該點的接收功率相等的條件下，理想點源天線的輸入功率P0和該天線的輸入功率PA之比。即：
由于理想點源天線的效率為1，因此其輸入功率就等于其輻射功率，可得：
由上式我們可以得出結論，即天線的增益同時表征了天線的方向性系數和天線效益系數這兩種特性。天線增益通常使的單位是分貝（dB），分貝表示兩個功率或場強之間的比值。增益的分貝值用天線在最大輻射方向上的功率密度與理想點源天線在同一距離處的功率密度之比的以10為底的對數再乘以10來表示。
可見，天線的增益表示了天線的方向性和信號能量的集中程度，是衡量天線在特定方向上輻射或接收電磁波能力的重要參數，反映了天線將輸入功率集中輻射到某一方向的能力。主瓣越窄，旁瓣越小，能量就會越集中，那么天線增益越高。增益高的天線能夠在特定方向上提供更強的信號，或更強的接收能力，其方向圖在該方向上也更尖銳，具有更窄的波束寬度，能夠減少對其他方向的干擾；高增益天線有助于延長測量距離或提高接收靈敏度。通常，雷達液位計天線應具有高的增益和窄波束寬度，以提高探測精度和抗干擾能力，提高天線的增益在雷達探測中具有重要的意義。
