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。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應用，也引起了更多業內人士的關注 。按照幾何光學理論，處于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。

透鏡天線的分類

透鏡天線可分為減速透鏡天線和加速透鏡天線兩種。減速透鏡天線的設計如下圖。

?減速透鏡天線示意圖

圖中的會聚透鏡減速透鏡采用低損耗、高頻率的材料制作而成，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；而在透鏡的邊緣壓制作用就若，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后形成了平面波，電磁輻射的方向性增強。

下圖是金屬加速透鏡天線的示意圖。該透鏡是由多塊尺寸不等的材料板平行組合而成。材料板于地面垂直，越接近邊緣的材料板越長。電磁波在平行材料板中經過時得到加速。從電磁輻射源釋放的電磁波途經材料透鏡時，越接近透鏡中心，得到加速的路徑就越短，而在內里則得到加速的路徑就長。因此，球面波經材料透鏡后就形成了平面波。

?金屬加速透鏡示意圖

透鏡天線的特點

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后瓣小，其方向圖比較好；二是透鏡天線對制造透鏡的精度要求不高，因而制造比較簡單方便。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，比較復雜，三是成本也比較高昂。

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于1 的“鏡片”電磁輻射源釋放的電磁球面波路經過“鏡片”作用后可以轉變成平面波，以得到錐形或圓柱形波束。透鏡的折射系數也往往是變化的，可以是位置的函數。透鏡的結構影響著其口面場分布。

在制作透鏡前，可根據使用需求提前確定透鏡的折射系數和形狀，當選取折射系數大于1 的材料介質制成，那么這個透鏡就是會聚的，通常稱為減速透鏡；透鏡材料的折射系數小于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。

龍伯球透鏡天線

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（如單脈沖雷達天線）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。龍伯球透鏡原理圖如下圖所示。

?龍伯透鏡原理圖

龍伯透鏡根本上就是由介質材料做成的圓球體，它的作用是將不同角度傳播的電磁波會聚到“鏡片”表面的一點。在球體表面無限靠近的部分，選擇材料的介電常數為1(即與大氣的介電常數一樣)。在球體中間部分，選擇材料的介電常數為2，而且從球體表面到中間材料的介電常數是漸變的，是位置函數，在近似得出其變化應符合函數：

?式中r為當前位置到球體中心的距離，R 為球體的半徑。

龍伯球透鏡的折射系數按

?變化。當平面電磁波射向“鏡片”時，通過“鏡片”作用而被會聚到與此平面電磁波相垂直的直徑的另一端。這樣，在此處（通常是焦點）設計放置一個饋源，就能在球天線口面上轉換成平面電磁波。只要饋源在球面上移動就能完成360°波束掃描。龍伯透鏡因其制造比較困難，實用性較差。

能改變輸入場分布為設計所需的場分布的結構件，也被稱為透鏡。比如將電磁波射入面與射出面各由等同數目的輻射元組成的陣，用連接對應的單元，按輸出口面場分布要求來設計傳輸線的尺寸。也可使用移相器，在各傳輸線中接入移相器，從而得到相控掃描。

透鏡天線的頻帶特性，如方向圖和阻抗等，不僅與饋源特性、透鏡形狀等有關外，而且還與透鏡折射系數的頻率響應有關。減速透鏡中，波長 λ的變化對反射系數n 影響很小，但在加速透鏡（金屬板透鏡）中，n 與 λ的關系為

?所以其頻帶較窄，不足十分之一。由TEM傳輸線構成的透鏡中，透鏡折射系數與頻率無關，頻帶由其他因素決定。對極高頻率的近似解決方法采用幾何光學的方法，可忽略其波長，即波長近似為0 的極限情況：第一，頻率特別高，可以略去波長的大小，從而得到光傳播時的較好的一級近似；第二，取點源，點源光通過不透明瓶的一個縫隙，假如點源光波長可以不計，就可認為不存在衍射現象。此時光線形成的模型稱為光錐；第三，如果波長很小，場的一般性質與平面波相同，由平面波指導的反射定律和折射定律依然使用；第四，所有的光學現象均可由光學理論得出，給定光的路徑，可分析出相應的強度和偏振。

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