天线方向性的几种表示（TIPS）
说在前面
在《萌新笔记—天线》中，就已经对天线的主要工程参数进行了系统的介绍，但是，在涉及天线的具体工程设计和电磁仿真的时候，还是会发现有些工程参数的介绍还不够细致和明确，这些碎片化的知识点将会以TIPS的形式来进行补充说明。
定向性D和增益G或许是天线最为重要的参量，各种三维仿真软件关于天线方向性存在着三种表示：方向性系数D，增益Gain以及可获得增益realized Gain。在绝大部分情形下，这三个参量各不相同，以最简单的偶极子天线为例，由图可知：Directivity，Gain以及Realized gain空间分布形式相同，均为纺锤形，但是最大值却各不相同，三个参数的定义分别是什么以及三者之间的区别和联系是怎样的，正确理解各自的物理含义和差异将会有很大帮助。
方向性系数(Directivity)
天线的定向性是在远场区的某一球面上最大辐射功率密度 与平均值之比，是大于等于1的无量纲比值，写成：
其中，球面上的平均功率密度为：
为球面总功率对球面积 取平均。
以偶极子天线为例，正如在《萌新笔记—天线》以及《阵列天线分析与综合基础（理论篇）》中所描述的：
远场区电场 的分布取决于天线表面的电流、磁流分布，而电场、磁场的空间分布就决定了功率密度在空间的分布形式，进而决定了天线的方向性系数，其与馈电端口的匹配与否、以及辐射单元上的电流热损耗无关，为最理想的状态。
增益(Gain)
天线增益（Gain）是一个实际参量，该参量因天线或天线罩的欧姆损耗而小于方向性系数（Directivity）。在发射状况下，天线增益还包括向天线馈送功率的损耗，这种损耗并不意味着辐射，而是意味着加热天线结构，增益（Gain）与方向性系数（Directivity）之比是天线的效率 。
通过减小振子的截面积 ，依据导体电阻计算公式 （ 为电阻率， 为导体长度），导体表面电阻增大，欧姆损耗增大（能量部分转化为热量），从而使得 下降，但是方向性系数 却没有显著改变。
可获得增益(Realized Gain)
可获得增益（Realized Gain）相较于增益Gain，还需要考虑天线与馈线之间的匹配情况。通过改变馈源的阻抗，可以改变天线匹配情况（反射系数越大，匹配越差），从而使得可获得增益各不相同，但是天线的增益和方向性系数却没有显著改变。
总结
综上所述，天线作为微波发射系统的终端，主要作用就是将射频电路中的“导行波”转化为自由空间传输的“空间波”。理想状态为100%转化，即为方向性系数 ；但是天线结构本身会存在欧姆损耗，部分能量转化为了热量，考虑这部分的损耗，即为增益 ；同时由于天线与馈线之间会存在失配的现象，导致部分能量被反射，再考虑这部分能量损耗，即为可获得增益 。
参考资料
《天线》，学术专著，作者：约翰-克劳斯；
《FEKO仿真原理与工程应用》，工具书，作者：刘源；
