透镜天线设计原理_常见类型_优缺点

天线是一种金属传输装置，可在电路和空间之间发射和接收无线电电磁波。这些设备有不同的尺寸和形状，其中小型天线可以在屋顶上用于观看电视，而大型天线则用于捕获距离卫星数百万英里的信号。

目前有不同类型的天线可供选择，每种天线主要根据其形状和尺寸设计用于在一定频率范围内发射和接收信号，如导线、偶极子、环形、短偶极子、孔径、单极子、透镜、缝隙、喇叭等。本文将介绍其中一种天线类型（即透镜天线）的概述及其应用。

基本概念

主要用于高频应用的三维电磁装置被称为透镜天线，该天线包括一个带馈源的电磁透镜，它类似于光学领域中使用的玻璃透镜。该天线利用曲面进行发射和接收。这些天线采用玻璃制造，遵循会聚和发散透镜特性。镜头天线频率范围为1000MHz至3000MHz。

透镜天线的功能作用是从球面生成平面波前，控制孔径照明，准直电磁射线，在其焦点处形成入射波的波前并产生方向特性。

设计原理

透镜天线主要设计用于发射和接收微波频率范围内的信号。如果我们考虑会聚型光学透镜存在于特定位置，并且能量源存在于焦点处，则在传输模式下沿光学透镜轴的焦距距离处产生能量。其发射模式如下图所示：

众所周知，从光学的角度来看，当光线落在镜片外侧时，它会因为折射而扭曲。这里，光能的扭曲方式主要取决于制造透镜的材料和曲线。因此，只要像偶极子或喇叭天线这样的馈电天线出现在透镜左侧可用的焦点处，来自源的偏离自然的球面波前就可以从天线的表面入射。

因此，一旦光线入射后流过它，偏离的光线就会因折射而准直，并变成平坦的波前。因此，在光学透镜的右侧获得平行光线。这样带有馈电元件的天线信号就被发射了。类似地，如果该天线由介电材料制成，则射频电磁信号将以相同的方式准直并进一步传输。

现在考虑以下处于接收模式的天线。在这种模式下，平行光线将入射到会聚透镜表面，由于折射机制，在透镜左侧的焦点处会聚。因此，一旦用于接收模式，就使用该过程：

这里需要注意的是，为了在射频下获得更好的聚焦特性，介质的折射率必须低于1。因此，即使材料的折射率低/高，也会产生笔直的波前。

工作原理

透镜天线的工作原理与光学透镜相同。在透镜材料中，微波信号具有与空气中不同的相速度，因此改变透镜厚度只是延迟通过它传输的微波信号的不同量、波方向和改变波前形状。

透镜天线利用透镜的会聚和发散特性来发射和接收信号。这些类型的天线包括带有透镜的偶极/喇叭天线。这里，透镜尺寸主要取决于工作频率，因此当工作频率较高时，透镜尺寸较小。因此，在高频时，使用这些天线是因为在低频时，它们可能有点笨重。

在抛物面反射器中，我们看到反射器焦点处的馈电元件发出的能量到达其表面，然后将球形辐射的微波转变为平面波，因此它增强了方向性。与透镜天线的情况相同，点源的作用类似于向光学透镜表面产生微波能量的馈源。因此，该光学表面使辐射的球面波前转变为准直波前。

需要注意的是，准直透镜是由具有有限介电常数值的介电材料制成的。然而，这些材料也可以用在射频下折射率低于统一的材料制成。

常见类型

透镜天线有延迟透镜天线和快速透镜天线两种，下面分别来介绍下。

1、延迟透镜天线

延迟透镜或慢波透镜天线可以定义为由于透镜介质而导致行波波前延迟的天线。有时候，这些类型的天线也称为介电透镜。天线的介电透镜作用的表示如下图所示。

在这种类型的天线中，无线电波在透镜介质中的移动速度比在自由空间中慢得多，折射率大于1。因此，路径的长度通过穿过透镜的介质而增加。

这与普通光学透镜对光线的作用相同。由于透镜的实心部分增加了路径的长度，因此像凸透镜这样的会聚透镜会聚焦无线电波，而像凹透镜这样的发散透镜会像普通透镜一样分散无线电波。这些透镜由介电材料和 H 平面板结构制成。

延迟透镜天线根据构造所用介质材料类型分为金属介质透镜和非金属介质透镜两种。

2、快速透镜天线

在快速透镜或快波透镜天线中，无线电波在透镜介质内的移动速度比在自由空间中快得多，因此折射率低于1，因此光路的长度会因穿过透镜介质而缩短。有时候，这种天线也称为E面金属板天线：

这种类型的天线在普通光学材料中没有类似物，因此它是由于波导内无线电波的相速度高于光速而发生的。由于透镜的固体部分减少了路径的长度，因此像凹透镜这样的会聚透镜会聚焦无线电波，而像凸透镜这样的发散透镜则与普通光学透镜相反。这些透镜由E平面板结构和负折射率超材料制成。

优缺点

透镜天线的优点包括以下几方面内容：

• 具有窄波束宽度、低噪声温度、高增益、低旁瓣等特点。
• 这些天线的结构更加紧凑。
• 与抛物面反射器和喇叭天线相比，它们的重量更轻。
• 具有更好的设计容差。
• 该天线中的馈电和馈电支架不会阻碍孔径。
• 梁可以相对于轴线有角度地移动。
• 在设计公差范围内提供了更大的灵活性，因此可以实现天线内的扭转。
• 用于极高频应用。
• 相对于相控阵，透镜天线具有低成本低功耗和电磁兼容性等优势。

透镜天线的缺点包括以下几点内容：

• 镜头在低频下尤其笨重。
• 设计相对比较复杂。
• 与反射器相比，对于相同规格，它们价格昂贵。

应用领域

透镜天线的应用包括以下几方面内容：

• 适用于3GHz以上的频率。
• 像宽带天线一样使用。
• 主要用于微波频率应用。
• 这种天线的会聚特性可用于开发称为抛物面反射器天线的高范围天线，因此这些天线广泛用于卫星通信。
• 它们被用作射电望远镜、毫米波雷达和卫星天线等高增益微波系统中的准直元件。

总结

简单来说，透镜天线是一种天线结构，它利用透镜来聚焦电磁波信号。透镜天线通过调整透镜的形状和材料，实现对电磁波的波束形成和方向性增益控制。其工作原理类似于光学中的透镜，通过折射或反射电磁波信号，使其集中到一个特定的方向，从而实现增强信号强度和指向性。

透镜天线的优点包括简单性和低成本，因为其设计不需要复杂的相控电路，且制造相对容易。它也具有较好的电磁兼容性，因为天线内部结构简单，减少了内部部件之间的相互干扰。然而，透镜天线的方向性较强，不如相控阵天线那样具有灵活的波束形成能力。透镜天线通常适用于需要稳定指向性和固定波束方向的通信和雷达应用，而不适合需要动态波束调整的复杂场景。