透鏡天線，一種能夠通過電磁波，將點(diǎn)源或線源的球面波或柱面波轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)透鏡表面形狀和折射率n，調(diào)節(jié)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(shù)，從而在通信和軍事領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用，也引起了更多業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注 。按照幾何光學(xué)理論，處于透鏡焦點(diǎn)處的點(diǎn)光源輻射出的球面波經(jīng)過透鏡折射會(huì)聚，最終形成了平面波。這就是透鏡天線設(shè)計(jì)的總的思想的。透鏡天線是由透鏡和電磁輻射器構(gòu)成。電磁波具有波粒二象性，在其傳輸?shù)倪^程中，經(jīng)過不平行的不同介質(zhì)時(shí)，會(huì)發(fā)生折射現(xiàn)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(shè)計(jì)如下圖。

?減速透鏡天線示意圖

圖中的會(huì)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(diǎn)是內(nèi)里厚，邊緣薄。從電磁輻射源釋放的的電磁波透過透鏡時(shí)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(zhǎng)；而在透鏡的邊緣壓制作用就若，壓制路徑就短。這種壓制產(chǎn)生的結(jié)果就是將球面波經(jīng)過透鏡作用后形成了平面波，電磁輻射的方向性增強(qiáng)。

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(zhǎng)。電磁波在平行材料板中經(jīng)過時(shí)得到加速。從電磁輻射源釋放的電磁波途經(jīng)材料透鏡時(shí)，越接近透鏡中心，得到加速的路徑就越短，而在內(nèi)里則得到加速的路徑就長(zhǎng)。因此，球面波經(jīng)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(diǎn)

透鏡天線與普通天線相比，透鏡天線有著獨(dú)特的特點(diǎn)：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(duì)制造透鏡的精度要求不高，因而制造比較簡(jiǎn)單方便。但透鏡天線也有自身的不足：一是生產(chǎn)效率低；二是不易構(gòu)造，比較復(fù)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(zhì)透鏡，可將電磁輻射能會(huì)聚成窄波束。透鏡就是能將電磁波通過時(shí)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(jīng)過“鏡片”作用后可以轉(zhuǎn)變成平面波，以得到錐形或圓柱形波束。透鏡的折射系數(shù)也往往是變化的，可以是位置的函數(shù)。透鏡的結(jié)構(gòu)影響著其口面場(chǎng)分布。

在制作透鏡前，可根據(jù)使用需求提前確定透鏡的折射系數(shù)和形狀，當(dāng)選取折射系數(shù)大于1 的材料介質(zhì)制成，那么這個(gè)透鏡就是會(huì)聚的，通常稱為減速透鏡；透鏡材料的折射系數(shù)小于1 時(shí)，透鏡的作用是發(fā)散的、加速的，通常稱為加速透鏡。

當(dāng)透鏡正反兩面都是折射面時(shí),則稱為雙面透鏡,當(dāng)只有照射面是折射面時(shí) ，則稱為單面透鏡。

龍伯球透鏡天線

根據(jù)光學(xué)理論引入的“鏡片”其基本原理概念就比較清楚，設(shè)計(jì)思路也就越發(fā)清晰。早期，一些革新的天線（如單脈沖雷達(dá)天線）經(jīng)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?yè)p耗變大等。所以，這種實(shí)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(zhì)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(huì)聚到“鏡片”表面的一點(diǎn)。在球體表面無限靠近的部分，選擇材料的介電常數(shù)為1(即與大氣的介電常數(shù)一樣)。在球體中間部分，選擇材料的介電常數(shù)為2，而且從球體表面到中間材料的介電常數(shù)是漸變的，是位置函數(shù)，在近似得出其變化應(yīng)符合函數(shù)：

?式中r為當(dāng)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(shù)按

?變化。當(dāng)平面電磁波射向“鏡片”時(shí)，通過“鏡片”作用而被會(huì)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(diǎn)）設(shè)計(jì)放置一個(gè)饋源，就能在球天線口面上轉(zhuǎn)換成平面電磁波。只要饋源在球面上移動(dòng)就能完成360°波束掃描。龍伯透鏡因其制造比較困難，實(shí)用性較差。

能改變輸入場(chǎng)分布為設(shè)計(jì)所需的場(chǎng)分布的結(jié)構(gòu)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(shù)目的輻射元組成的陣，用連接對(duì)應(yīng)的單元，按輸出口面場(chǎng)分布要求來設(shè)計(jì)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(guān)外，而且還與透鏡折射系數(shù)的頻率響應(yīng)有關(guān)。減速透鏡中，波長(zhǎng) λ的變化對(duì)反射系數(shù)n 影響很小，但在加速透鏡（金屬板透鏡）中，n 與 λ的關(guān)系為

?所以其頻帶較窄，不足十分之一。由TEM傳輸線構(gòu)成的透鏡中，透鏡折射系數(shù)與頻率無關(guān)，頻帶由其他因素決定。對(duì)極高頻率的近似解決方法采用幾何光學(xué)的方法，可忽略其波長(zhǎng)，即波長(zhǎng)近似為0 的極限情況：第一，頻率特別高，可以略去波長(zhǎng)的大小，從而得到光傳播時(shí)的較好的一級(jí)近似；第二，取點(diǎn)源，點(diǎn)源光通過不透明瓶的一個(gè)縫隙，假如點(diǎn)源光波長(zhǎng)可以不計(jì)，就可認(rèn)為不存在衍射現(xiàn)象。此時(shí)光線形成的模型稱為光錐；第三，如果波長(zhǎng)很小，場(chǎng)的一般性質(zhì)與平面波相同，由平面波指導(dǎo)的反射定律和折射定律依然使用；第四，所有的光學(xué)現(xiàn)象均可由光學(xué)理論得出，給定光的路徑，可分析出相應(yīng)的強(qiáng)度和偏振。

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