透鏡天線

透鏡天線，一種能夠通過電磁波，將點源或線源的球面波或柱面波轉換為平面波從而獲得筆形、扇形或其他形狀波束的天線。通過合適設計透鏡表面形狀和折射率 n，調節電磁波的相速以獲得輻射口徑上的平面波前。

基本介紹

• 中文名：透鏡天線
• 外文名：Lens Antenna
• 作用：將球面波或柱面波轉換為平面波
• 優點：方向圖較好、製造比較方便
• 缺點：效率低，結構複雜，價格昂貴

簡介

透鏡天線吸收了許多光信息工程技術，從而在通信和軍事領域得到更加廣泛的套用，也引起了更多業內人士的關注。按照幾何光學理論，處於透鏡焦點處的點光源輻射出的球面波經過透鏡折射會聚，最終形成了平面波。這就是透鏡天線設計的總的思想的。透鏡天線是由透鏡和電磁輻射器構成。電磁波具有波粒二象性，在其傳輸的過程中，經過不平行的不同介質時，會發生折射現象。在輻射器前安裝透鏡，可使輻射能量集中，波束壓窄。

分類

透鏡天線有介質減速透鏡天線和金屬加速透鏡天線兩種。

介質減速透鏡天線

介質減速透鏡天線是用低損耗高頻介質製成，中間厚，四周薄。從輻射源發出的球面波經過介質透鏡時受到減速。所以球面波在透鏡中間部分受到減速的路徑長，在四周部分受到減速的路徑短。因此，球面波經過透鏡後就變成平面波，也就是說，輻射變成定向的。

其特點是內里厚，邊緣薄。從電磁輻射源釋放的的電磁波透過透鏡時受到壓制。這種壓制在透鏡中心作用比較明顯，壓制的路徑就長；而在透鏡的邊緣壓製作用就弱，壓制路徑就短。這種壓制產生的結果就是將球面波經過透鏡作用後形成了平面波，電磁輻射的方向性增強。

金屬加速透鏡天線

金屬加速透鏡天線由許多塊長度不同的金屬板平行放置而成。金屬板垂直於地面，愈靠近中間的金屬板愈短。電波在平行金屬板中傳播時受到加速。從輻射源發出的球面波經過金屬透鏡時，愈靠近透鏡邊緣，受到加速的路徑愈長，而在中間則受到加速的路徑就短。因此，經過金屬透鏡後的球面波就變成平面波。

透鏡天線特點

透鏡天線與普通天線相比，透鏡天線有著獨特的特點：一是透鏡天線的旁瓣和後瓣小，其方向圖比較好；二是透鏡天線對製造透鏡的精度要求不高，因而製造比較簡單方便。但透鏡天線也有自身的不足：一是生產效率低；二是不易構造，比較複雜，三是成本也比較高昂。

定義

將透鏡裝在振子或喇叭輻射器前，利用其特性，使輻射線能量集中成窄的射束的微波天線。

優點

透鏡天線具有下列優點：

1、旁瓣和後瓣小，因而方向圖較好；

2、製造透鏡的精度不高，因而製造比較方便。其缺點是效率低，結構複雜，價格昂貴。

3、透鏡天線用於微波中繼通信中。

透鏡的基本原理

在各種形狀的電磁輻射器前加裝介質透鏡，可將電磁輻射能會聚成窄波束。透鏡就是能將電磁波通過時折射率不等於1的“鏡片”電磁輻射源釋放的電磁球面波路經過“鏡片”作用後可以轉變成平面波，以得到錐形或圓柱形波束。透鏡的折射係數也往往是變化的，可以是位置的函式。透鏡的結構影響著其口面場分布。

在製作透鏡前，可根據使用需求提前確定透鏡的折射係數和形狀，當選取折射係數大於1的材料介質製成，那么這個透鏡就是會聚的，通常稱為減速透鏡；透鏡材料的折射係數小於1時，透鏡的作用是發散的、加速的，通常稱為加速透鏡。

當透鏡正反兩面都是折射面時,則稱為雙面透鏡,當只有照射面是折射面時，則稱為單面透鏡。

根據光學理論引入的“鏡片”其基本原理概念就比較清楚，設計思路也就越發清晰。早期，一些革新的天線（如單脈衝雷達天線）經常用“鏡片”作為闡述工作原理的模型，但“鏡片”的不足是笨重，材料漸變廢舊和界面反射常常帶來損耗變大等。所以，這種實用的透鏡天線就不多了，比龍伯球透鏡

在振子或喇叭形輻射器前裝有透鏡，從而使輻射能量集中成窄的射束的微波天線（見圖）。透鏡是一種能通過電磁波而其折射係數不等於 1的三維結構。點源或線源發出的球面波或柱面波經過透鏡可以變換成平面波，從而得到筆形或扇形波束。透鏡的折射係數可能是位置的函式，透鏡的形狀決定其口面場分布。

透鏡天線

透鏡可以用折射係數n大於1的自然介質製成，也可以是由金屬柵網或金屬片等組成的人工介質結構（n>1或n<1）。n=c/vφ(式中c為光速;vφ為介質中的相速)，n大於1的透鏡稱為減速透鏡，n小於1的透鏡稱為加速透鏡。當透鏡正反兩面都是折射面時,則稱為雙面透鏡,當只有照射面是折射面時，則稱為單面透鏡。

由光學引入的透鏡，因其原理概念清楚，一些新型天線（如單脈衝雷達天線）在發展的初期常用透鏡作為闡述工作原理的模型，但透鏡的固有缺點是笨重、介質老化和界面反射會引入損耗等,因而,實用的透鏡天線很少。例如龍伯球透鏡的折射係數按

變化，式中a為球的半徑；r為球內任一點離球心的距離。當平面波入射透鏡上時，經透鏡而被聚焦到與此平面波前垂直的直徑的另一端。因此，在這一點放置一饋源就能在球天線口面上形成平面波。只要在球面上移動饋源就能使波束作360°掃描。龍伯透鏡由於製造困難,除加一反射帽用作目標外，實用甚少。

公式

能把輸入場分布變為所需場分布的結構，也被稱作透鏡。例如輸入面與輸出面分別由數目相等的輻射單元組成的陣列，對應單元用傳輸線連線。各傳輸線的長度按輸出口面場分布要求來確定。也可在各傳輸線中接入移相器，從而得到相控掃描。再如把 E面扇形喇叭中部的 H面尺寸做成有些上凸使得扇形中間這部分波的相速變慢，從而在口面同相。這種空氣透鏡在第二次世界大戰時曾用於機械電掃描的福斯特掃描器上。

透鏡天線的方向圖和阻抗等頻帶特性，除與饋源特性、透鏡形狀等有關外,還與透鏡折射係數n的頻率回響有關。在減速透鏡中,波長λ的變化對摺射係數n影響很小，但在加速透鏡（金屬板透鏡）中,n與λ 的關係密切(

),因而頻帶較窄,只有百分之幾。由TEM傳輸線組成的透鏡中,n與頻率無關，頻帶由其他因素決定。

公式