透镜天线的分类、特点、原理以及龙伯球透镜天线

2020-07-09 来源:微波射频网搜集整理 我要评论(0) 字号:

透镜天线,一种能够通过电磁波,将点源或线源的球面波或柱面波转换为平面波从而获得笔形、扇形或其他形状波束的天线。通过合适设计透镜表面形状和折射率n,调节电磁波的相速以获得辐射口径上的平面波前。透镜天线吸收了许多光信息工程技术,从而在通信和军事领域得到更加广泛的应用,也引起了更多业内人士的关注  。按照几何光学理论,处于透镜焦点处的点光源辐射出的球面波经过透镜折射会聚,最终形成了平面波。这就是透镜天线设计的总的思想的。透镜天线是由透镜 和电磁辐射器构成。电磁波具有波粒二象性,在其传输的过程中,经过不平行的不同介质时,会发生折射现象。在辐射器前安装透镜,可使辐射能量集中,波束压窄。

透镜天线的分类

透镜天线可分为减速透镜天线和加速透镜天线两种。减速透镜天线的设计如下图。

减速透镜天线示意图

图中的会聚透镜减速透镜采用低损耗、高频率的材料制作而成,其特点是内里厚,边缘薄。从电磁辐射源释放的的电磁波透过透镜时受到压制。这种压制在透镜中心作用比较明显,压制的路径就长;而在透镜的边缘压制作用就若,压制路径就短。这种压制产生的结果就是将球面波经过透镜作用后形成了平面波,电磁辐射的方向性增强。

下图是金属加速透镜天线的示意图。该透镜是由多块尺寸不等的材料板平行组合而成。材料板于地面垂直,越接近边缘的材料板越长。电磁波在平行材料板中经过时得到加速。从电磁辐射源释放的电磁波途经材料透镜时,越接近透镜中心,得到加速的路径就越短,而在内里则得到加速的路径就长。因此,球面波经材料透镜后就形成了平面波。

金属加速透镜示意图

透镜天线的特点

透镜天线与普通天线相比,透镜天线有着独特的特点:一是透镜天线的旁瓣和后瓣小,其方向图比较好;二是透镜天线对制造透镜的精度要求不高,因而制造比较简单方便。但透镜天线也有自身的不足:一是生产效率低;二是不易构造,比较复杂,三是成本也比较高昂。

透镜的基本原理

在各种形状的电磁辐射器前加装介质透镜,可将电磁辐射能会聚成窄波束。透镜就是能将电磁波通过时折射率不等于1 的“镜片”电磁辐射源释放的电磁球面波路经过“镜片”作用后可以转变成平面波,以得到锥形或圆柱形波束。透镜的折射系数也往往是变化的,可以是位置的函数。透镜的结构影响着其口面场分布。

在制作透镜前,可根据使用需求提前确定透镜的折射系数和形状,当选取折射系数大于1 的材料介质制成,那么这个透镜就是会聚的,通常称为减速透镜;透镜材料的折射系数小于1 时,透镜的作用是发散的、加速的,通常称为加速透镜。

当透镜正反两面都是折射面时,则称为双面透镜,当只有照射面是折射面时 ,则称为单面透镜。

龙伯球透镜天线

根据光学理论引入的“镜片”其基本原理概念就比较清楚,设计思路也就越发清晰。早期,一些革新的天线(如单脉冲雷达天线)经常用“镜片”作为阐述工作原理的模型,但“镜片”的不足是笨重,材料渐变废旧和界面反射常常带来损耗变大等。所以,这种实用的透镜天线就不多了,比龙伯球透镜。龙伯球透镜原理图如下图所示。

龙伯透镜原理图

龙伯透镜根本上就是由介质材料做成的圆球体,它的作用是将不同角度传播的电磁波会聚到“镜片”表面的一点。在球体表面无限靠近的部分,选择材料的介电常数为1(即与大气的介电常数一样)。在球体中间部分,选择材料的介电常数为2,而且从球体表面到中间材料的介电常数是渐变的,是位置函数,在近似得出其变化应符合函数:,式中r为当前位置到球体中心的距离,R 为球体的半径。

龙伯球透镜的折射系数按变化。当平面电磁波射向“镜片”时,通过“镜片”作用而被会聚到与此平面电磁波相垂直的直径的另一端。这样,在此处(通常是焦点)设计放置一个馈源,就能在球天线口面上转换成平面电磁波。只要馈源在球面上移动就能完成360°波束扫描。龙伯透镜因其制造比较困难,实用性较差。

能改变输入场分布为设计所需的场分布的结构件,也被称为透镜。比如将电磁波射入面与射出面各由等同数目的辐射元组成的阵,用连接对应的单元,按输出口面场分布要求来设计传输线的尺寸。也可使用移相器,在各传输线中接入移相器,从而得到相控扫描。

透镜天线的频带特性,如方向图和阻抗等,不仅与馈源特性、透镜形状等有关外,而且还与透镜折射系数的频率响应有关。减速透镜中,波长 λ的变化对反射系数n 影响很小,但在加速透镜(金属板透镜)中,n 与 λ的关系为,所以其频带较窄,不足十分之一。由TEM传输线构成的透镜中,透镜折射系数与频率无关,频带由其他因素决定。对极高频率的近似解决方法采用几何光学的方法,可忽略其波长,即波长近似为0 的极限情况:第一,频率特别高,可以略去波长的大小,从而得到光传播时的较好的一级近似;第二,取点源,点源光通过不透明瓶的一个缝隙,假如点源光波长可以不计,就可认为不存在衍射现象。此时光线形成的模型称为光锥;第三,如果波长很小,场的一般性质与平面波相同,由平面波指导的反射定律和折射定律依然使用;第四,所有的光学现象均可由光学理论得出,给定光的路径,可分析出相应的强度和偏振。

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