球面相控陣天線 衛(wèi)星天線高清版
相對于相控陣透鏡天線的兩大優(yōu)勢是：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。
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(zhuǎn)換為平面波從而獲得筆形、扇形或其他形狀波束的天線。通過合適設計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，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(yè)內(nèi)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(jīng)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?shù)倪^程中，經(jīng)過不平行的不同介質(zhì)時，會發(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。
透鏡天線有介質(zhì)減速透鏡天線和金屬加速透鏡天線兩種。
介質(zhì)減速透鏡天線，用低損耗高頻介質(zhì)制成，中間厚，四周薄。從輻射源發(fā)出的球面波經(jīng)過介質(zhì)透鏡時受到減速。
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。金屬板垂直于地面，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。
原理
雷達是一種發(fā)射電磁波，藉由解算回波之種種數(shù)據(jù)來達到探測目的的一種裝置。隨著年代的演進而增加新的功能，但都不脫離兩個基本步驟：發(fā)射雷達波以及解算回波。
電磁波的發(fā)射，是利用正負電荷之往返震湯而發(fā)出的，在雷達上是在天線上產(chǎn)生正負電荷并使之震湯。發(fā)出電磁波之強度分布，為一＂橫躺＂在x軸上的＂8＂字繞y軸轉(zhuǎn)動後所產(chǎn)生的立體形狀，類似紅血球一般，天線指向y軸而以橫躺的8字中心為中心。設由原點向任一方向畫直線與此＂紅血球形＂交於p點，則原點到p點的長度代表該方向電磁波強度。也就是說在垂直於y軸之平面上電磁波最強，隨著與此平面之夾角增加電磁波隨之減弱，在天線方向上則沒有電磁波。以上所提對相控陣雷達原理之理解并不是那么重要，不過將有助於我們觀察雷達天線的陣列情形。
當然，單一天線發(fā)射的雷達波依然是以球面擴散的，強度與距離平方成反比，所以當然不可能只用一個天線就能做成雷達啦，一定要有其他方法的，除了增強功率外，就是讓雷達波盡量平行發(fā)射啦。為了達到此目的，目前主要有拋物面雷達以及平面陣列雷達，兩者都是機械掃描雷達，但後者之原理與相控陣雷達有些相近。
拋物面雷達在拋物面焦點處安裝發(fā)射天線，經(jīng)拋物面反射成近乎平行波束，目前直升機雷達以及陸基防空雷達、機場雷達等多使用這種雷達。這種雷達現(xiàn)在漸漸被取代，因為拋物面相當難做，一般都是用球面或橢球面來近似，不論如何進似，終究不是真正拋物面，因此就容易出現(xiàn)誤差。此外，這種雷達只由一個天線作收發(fā)工作，因而對單一天線性能要求就相當高，而天線故障整個雷達也就掛了。
這種雷達不是沒有好處的，他能接收單一天線感測不到的強度的回波：天線有其能感測的最低電磁波強度(單位面積的功率)，若強度小於這個值，就無法感測或被當雜波濾除。拋物面天線可將回波反射回位於焦點的天線，故此時天線接收到的強度就是拋物面接收到之雷達波強度之加成。
平面陣列雷達則是在一個平面上布上許多天線，藉由波的干涉原理來制造近平行波束，基本發(fā)射原理與相控陣雷達相近故留待稍後解釋之。西方標準的第三代戰(zhàn)機以及俄國第四代戰(zhàn)機(除了MiG-31)多用這種雷達，自行研發(fā)的殲雷十也是平面陣列雷達。
此類雷達還仰賴＂合成孔徑＂技術，雷達的性能除了探測距離、資料更新率等等外，還有個很重要的，解析度。解析度不高的雷達無法精確知道敵人的位置，只能知道敵人來襲卻無法反制，因此要提高解析度，雷達的解析度與波束發(fā)散角(最外側(cè)行進方向與中央線的夾角)有關，發(fā)散角越小解析度越高，而要降低發(fā)散角，就要加大天線。再某些時候這是不好做的，因而有人想到能否利用相間的小天線(天線陣列)來達成相同效果，實驗證明是可行的，藉由對陣列上每個天線接收到的數(shù)據(jù)的合成處理，可以達到涵蓋這些陣列的拋物面雷達的解析度。也就是說，當兩天線相距d距離時，其解析度同等於以d為直徑的拋物面雷達，不過接收功率僅為2個天線之接收功率和。也因為沒有拋物面將回波＂加成＂，因此對於強度小於單一天線能感測強度之最小值之回波，此種雷達是無法感應的。
不論是拋物面或平面陣列式雷達，皆屬於機械掃描雷達，靠機械轉(zhuǎn)動天線面來改變波束方向，因此其資料更新率與機械轉(zhuǎn)動周期有關，這受到機械結構等問題影響而不會太快，一般更新周期以秒計。
拋物面雷達於平面陣列雷達之比較
口徑相同時，兩者的解析度相同，不過拋物面雷達接收到的功率是整個面接收到的能量的加成，故能接收強度較小的回波。而平面陣列雷達接收到的功率是每個天線的加成，其平面不可能全部都是天線，因此總功率低於拋物面雷達，且無法接收強度低於天線感測下限的回波。因為制造工藝的因素，加上相同的解析度，因此戰(zhàn)機上拋物面雷達漸漸被取代。就好像如果可能的話，所有的天文學家都會希望有一個直徑跟地球一樣大的望遠鏡，但那是不可能的，因此只能藉由整合分開的小望遠鏡來達到要求的解析度。
關於雷達天線的指向
從觀察雷達天線的方向(就是電偶極/electric dipole的方向)，可以大概知道雷達的功能。仔細觀察時，會發(fā)現(xiàn)目前飛機上的平面陣列雷達，其天線都是水平放置的，而像俄羅斯X-35/Kh-35＂天王星＂反艦導彈上的平面陣列雷達之天線，就是垂直放置的。詳細情形我目前也不太清楚，我猜想這是因為這些飛機雷達需要兼顧對地性能(平面陣列雷達出現(xiàn)後的飛機一般都已具備對地能力)，而掠海飛行的反艦飛彈不需要下視，只要要求視野寬廣即可。
前面提到電磁波的發(fā)射，以及電偶極方向與電磁波強度之關系。從那里我們可以看出水平放置以及垂直放置的天線發(fā)出電波的能量分布，并從中得到放置方式與功能的關系。在前者，電磁波在俯仰方向上是最強的，往兩側(cè)漸漸減弱；在後者，水平方向是最強的，而往上下兩側(cè)漸漸減弱。所以說當天線水平放置時，可以在俯仰方向維持高強度雷達波。故推測可能是為了兼顧對地處理能力而做這種布置。
相控陣雷達之波束產(chǎn)生原理與平面陣列雷達其實是相同的，但多了相位控制功能因而可不必借助機械而改變波束方向。在解釋此原理前先幾個波的專有名詞：波前、相位。波前定義為與波行進方向垂直之曲線或曲面，例如平行波波前即為垂直於波束之平面，球狀發(fā)射波之波前為球面波等，換言之可以用波前的擴散來想像波的行進。相位就是相角，與位置、波長、周期、時間等有關，相位差就是相位的差異。如果撇開數(shù)學，純粹定性的話，在雷達天線面上，各天線同時發(fā)射電磁波，則各電磁波就是同相，如果各天線發(fā)射電磁波有先後次序，則各天線發(fā)射之電磁波有相位差。這么解釋較容易體會吧！現(xiàn)在來考慮同相的情況，我們在x軸上等間格安置一模一樣的點波原，點波原在平面上傳波方式為圓形平面，現(xiàn)在只要考慮x軸以上，因為他與x軸以下情況是一樣的。今假設過了一段時間，各波原產(chǎn)生的波行進的距離是一樣的，因此可以各波原為圓心取相同半徑畫半圓，如此可得到各波波前交織在一起的圖像，如果繼續(xù)畫下去，不論里面交得多亂，最前端的形狀幾乎是一樣的，即許多圓弧交線的最前端，事實上這就是其巨觀之波前?，F(xiàn)在，我們在每兩點中間再加一個點波原，趙相同方法作圖，會發(fā)現(xiàn)最前端曲線，也就是合成波前，更加平滑，所以說，當點波原距離越近，合成波前就越接近與這些點波原連線平行之曲線(在此為直線)，這就是＂海更士原理＂，只不過海更士是倒過來說的：＂波前可視為無線多個點撥圓的連線。＂經(jīng)由實驗可以知道這是成立的。對了，有沒有注意到，這就是平面陣列雷達產(chǎn)生近平行波束的原理！
接著，討論有相位差的情況了，這就是相控陣雷達控制波束的原理了。同樣的，我們在x軸上等間格安置一模一樣的點波原，為了方便說明，由左到又依次編號1，2，3....，并假設由1開始每格一個周期T的時間間隔下一個點波原才開始發(fā)射(時間間格可以自己挑，不過選擇一個周期最好畫)。好，開始畫圖吧：t=0時，1號開始發(fā)射。t=T時，2號開始發(fā)射，因為經(jīng)過了一個周期，所以1也開始發(fā)射下一個波。t=2T時，以1號為圓心有兩個半圓，以二號為圓心有一個半圓，同時1,2,3同時發(fā)射下一個波。照這樣畫下去，就會發(fā)現(xiàn)跟先前同相時的例子一樣的圓弧交線，而且是朝著右上方傳遞的，當波原很接近時，該曲線就接近直線了。波就是這樣往右偏折的。同樣的道理，可以知道波如何往左、往上、往下偏。這就是電子掃描雷達的原理。當然要提升其效能就有其他復雜的工程問題了，如天線的密集度、處理資訊的能力等等。
因此相控陣雷達可選擇雷達面上相鄰的數(shù)個天線來當一個雷達用，或選用多個區(qū)塊構成多組雷達來偵查同一目標以增加解析度，有的書籍上說相控陣雷達的每一個天線都相當於一個雷達，這會造成相當大的誤解：如果每個都是雷達，何必選用一組去照射目標？每個天線固定在那里，要怎么去轉(zhuǎn)向？了解其原理，就能避開誤解了。由於是使用電子控制相位差掃描而不用機械，再加上可針對性的掃描，因此資料更新率以微秒計，遠優(yōu)於機械式雷達。此外由於相控陣雷達可制造窄波束，因此也具有電戰(zhàn)功能，當然波束能多窄式取決於其他技術的，像美國APG-77雷達就可發(fā)射發(fā)散角僅2度(最外側(cè)波行進方向與中央線之夾角)的窄波束。具有更好的反探測及電戰(zhàn)能力
看看這里，就知道了。
相對于相控陣透鏡天線的兩大優(yōu)勢是：透鏡天線的旁瓣和后瓣小，其方向圖比較好以及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。
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(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)。透鏡的結構影響著其口面場分布。
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，當選取折射系數(shù)大于1的材料介質(zhì)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(shù)小于1時，透鏡的作用是發(fā)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。
龍伯透鏡天線：
透鏡天線中的透鏡是一組光學器件，具體是利用透鏡的折射率特性，將改變天線的增益（光學術語也可以是聚焦方向），應用于微波頻段中的透鏡天線，主要利用透鏡來修正饋源天線發(fā)出的球面波或柱面波，最終以平面波的形式實現(xiàn)電磁波能量的聚焦。
其中透鏡天線中的透鏡主要由均勻透鏡和非均勻透鏡兩組組成，而龍伯透鏡屬于非均勻介質(zhì)的透鏡，不斷改變電磁波束的傳播方向，以此來來實現(xiàn)天線的增益。
鏡天線中的一種重要形式，理想的龍伯透鏡的相對介電常數(shù)從球心為2到表面為1連續(xù)變化，具有獨特的完美光學聚焦性能，它的研究歷史可追溯到20世紀40年代RKLueburg最先基于幾何光學理論提出龍伯透鏡。