雷達天線(1)：方向性和增益

無論是雷達、通信還是電子戰系統，都有一個關鍵部分，那就是：天線。大家知道，天線的作用是完成波導場和空間輻射場的相互轉換。

發射是將電子轉變為光子，就像手電筒一樣，將輻射能量集中照射目標方向，輻射的功率被遠處的目標、地面、天空以及其他天線所吸收；

接收則是將光子轉換為電子，收集來自遠處目標的被動輻射或其他天線的主動輻射，就像我們的“眼睛”，只不過它們收集的頻段在可見光，還是“雙站”哦！

一般來說，天線都具有方向性，也就是往不同方向輻射的功率密度不同，對於接收來說，則是指對不同方向入射的電磁波響應不同。今天討論的重點就是天線的方向性和天線增益的理解。

天線的方向性是指天線把輻射出去的能量集中在期望方向上的程度，我們通常看到的天線的三維圖形，雖然大部分能量都集中在視軸的一個大致區域內，就是大家所熟知的“主瓣”，但是在其他方向上或多或少都要輻射一些能量，受大家關注較多的是“旁瓣”以及主旁瓣比。

天線增益是相對於參考天線來說的，比如說100W的功率饋給天線並不會得到大於100W的輻射能量。而是以犧牲其他方向為代價，天線將輻射能量集中到特定方向，從而得到了相對於參考天線的增益。

這和放大器的增益概念是完全不同的，放大器的增益是指將信號放大了多少dB，是輸出相對於輸入來說的。放大器是有源的，增加了信號的能量，所以和天線這種無源器件的增益概念是不同的。

在輸入功率相等的情況下，天線增益是指實際天線和參考天線在空間同一點處的功率密度之比。以各向同性天線(isotropic antenna)或偶極子天線(dipole antenna)為參考，得到天線增益的單位分別為dBi和dBd。

天線增益描述的是天線將功率集中輻射的程度，因此與天線方向圖密切相關。一般來說天線方向圖主瓣越窄、副瓣越小，則增益越高。

有效輻射功率：

Effective Radiated Power，ERP

等效全向輻射功率：

Effective Isotropic Radiated Power，EIRP

有效輻射功率定義為天線增益和輸入功率的乘積。

舉例：

一個100W的發射機連接到增益為9dBd的天線上，系統傳輸線和接頭損耗為3dB，計算出ERP=50dBm+9dBd-3dB=56dBm，ERP是400W。

這裡的ERP=400W並不是說發射機饋給天線的功率增加了，而是說如果採用的是偶極子天線，在該方向上達到相同的輻射效果，需要的等效功率是400W。

在談到天線增益的時候，會有方向性增益和功率增益的區分，它們是通過輻射效率相互聯繫的，方向性增益總是大於功率增益的，並與天線波束寬度有密切關係。

天線方向圖可以看出在空間不同方向有大小不同的增益，我們常說的“天線增益”通常是指產生最大增益方向上的增益，單位為dBi或者dBd。這二個單位的參考基準不同，前者是以各向同性天線(isotropic antenna)為基準，後者是以偶極子天線(dipole antenna)為基準。偶極子天線的增益：

0dBd=2.15dBi

也就是說若以dBd來表示天線增益時，數值會變小。例如：增益為5dBd的天線增益可以表示為7.15dBi。

常說的天線“3dB波束寬度”是指天線增益下降到視軸增益一半，也就是相比於最大增益衰減了3dB時兩個增益值之間的夾角。

舉例：

在一定的距離上的某點處產生一定大小的信號，用理想的全向天線，假設需要100W的輸入功率，而如果改用增益為G=20dBi的定向天線作為發射天線，輸入功率僅需100/10^20/10=1W。