球面相控陣天線(xiàn) 衛星天線(xiàn)高清版
相對于相控陣透鏡天線(xiàn)的兩大優(yōu)勢是：一是透鏡天線(xiàn)的旁瓣和后瓣小，其方向圖比較好；二是透鏡天線(xiàn)對制造透鏡的精度要求不高，因而制造比較簡(jiǎn)單方便。
透鏡天線(xiàn)，一種能夠通過(guò)電磁波，將點(diǎn)源或線(xiàn)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(xiàn)。通過(guò)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(xiàn)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用，也引起了更多業(yè)內人士的關(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(guò)透鏡折射會(huì )聚，最終形成了平面波。
這就是透鏡天線(xiàn)設計的總的思想的。透鏡天線(xiàn)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(guò)程中，經(jīng)過(guò)不平行的不同介質(zhì)時(shí)，會(huì )發(fā)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(xiàn)有介質(zhì)減速透鏡天線(xiàn)和金屬加速透鏡天線(xiàn)兩種。
介質(zhì)減速透鏡天線(xiàn)，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(guò)介質(zhì)透鏡時(shí)受到減速。
金屬加速透鏡天線(xiàn)，金屬加速透鏡天線(xiàn)由許多塊長(cháng)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(shí)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據來(lái)達到探測目的的一種裝置。隨著(zhù)年代的演進(jìn)而增加新的功能，但都不脫離兩個(gè)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(xiàn)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軸轉動(dòng)後所產(chǎn)生的立體形狀，類(lèi)似紅血球一般，天線(xiàn)指向y軸而以橫躺的8字中心為中心。設由原點(diǎn)向任一方向畫(huà)直線(xiàn)與此＂紅血球形＂交於p點(diǎn)，則原點(diǎn)到p點(diǎn)的長(cháng)度代表該方向電磁波強度。也就是說(shuō)在垂直於y軸之平面上電磁波最強，隨著(zhù)與此平面之夾角增加電磁波隨之減弱，在天線(xiàn)方向上則沒(méi)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(guò)將有助於我們觀(guān)察雷達天線(xiàn)的陣列情形。
當然，單一天線(xiàn)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(gè)天線(xiàn)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(diǎn)處安裝發(fā)射天線(xiàn)，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(chǎng)雷達等多使用這種雷達。這種雷達現在漸漸被取代，因為拋物面相當難做，一般都是用球面或橢球面來(lái)近似，不論如何進(jìn)似，終究不是真正拋物面，因此就容易出現誤差。此外，這種雷達只由一個(gè)天線(xiàn)作收發(fā)工作，因而對單一天線(xiàn)性能要求就相當高，而天線(xiàn)故障整個(gè)雷達也就掛了。
這種雷達不是沒(méi)有好處的，他能接收單一天線(xiàn)感測不到的強度的回波：天線(xiàn)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(gè)值，就無(wú)法感測或被當雜波濾除。拋物面天線(xiàn)可將回波反射回位於焦點(diǎn)的天線(xiàn)，故此時(shí)天線(xiàn)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(gè)平面上布上許多天線(xiàn)，藉由波的干涉原理來(lái)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機以及俄國第四代戰機(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(lèi)雷達還仰賴(lài)＂合成孔徑＂技術(shù)，雷達的性能除了探測距離、資料更新率等等外，還有個(gè)很重要的，解析度。解析度不高的雷達無(wú)法精確知道敵人的位置，只能知道敵人來(lái)襲卻無(wú)法反制，因此要提高解析度，雷達的解析度與波束發(fā)散角(最外側行進(jìn)方向與中央線(xiàn)的夾角)有關(guān)，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(xiàn)。再某些時(shí)候這是不好做的，因而有人想到能否利用相間的小天線(xiàn)(天線(xiàn)陣列)來(lái)達成相同效果，實(shí)驗證明是可行的，藉由對陣列上每個(gè)天線(xiàn)接收到的數據的合成處理，可以達到涵蓋這些陣列的拋物面雷達的解析度。也就是說(shuō)，當兩天線(xiàn)相距d距離時(shí)，其解析度同等於以d為直徑的拋物面雷達，不過(guò)接收功率僅為2個(gè)天線(xiàn)之接收功率和。也因為沒(méi)有拋物面將回波＂加成＂，因此對於強度小於單一天線(xiàn)能感測強度之最小值之回波，此種雷達是無(wú)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，靠機械轉動(dòng)天線(xiàn)面來(lái)改變波束方向，因此其資料更新率與機械轉動(dòng)周期有關(guān)，這受到機械結構等問(wèn)題影響而不會(huì )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(shí)，兩者的解析度相同，不過(guò)拋物面雷達接收到的功率是整個(gè)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(gè)天線(xiàn)的加成，其平面不可能全部都是天線(xiàn)，因此總功率低於拋物面雷達，且無(wú)法接收強度低於天線(xiàn)感測下限的回波。因為制造工藝的因素，加上相同的解析度，因此戰機上拋物面雷達漸漸被取代。就好像如果可能的話(huà)，所有的天文學(xué)家都會(huì )希望有一個(gè)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(kāi)的小望遠鏡來(lái)達到要求的解析度。
關(guān)於雷達天線(xiàn)的指向
從觀(guān)察雷達天線(xiàn)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(guān)察時(shí)，會(huì )發(fā)現目前飛機上的平面陣列雷達，其天線(xiàn)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(xiàn)，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(guān)系。從那里我們可以看出水平放置以及垂直放置的天線(xiàn)發(fā)出電波的能量分布，并從中得到放置方式與功能的關(guān)系。在前者，電磁波在俯仰方向上是最強的，往兩側漸漸減弱；在後者，水平方向是最強的，而往上下兩側漸漸減弱。所以說(shuō)當天線(xiàn)水平放置時(shí)，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(shí)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(gè)波的專(zhuān)有名詞：波前、相位。波前定義為與波行進(jìn)方向垂直之曲線(xiàn)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(lái)想像波的行進(jìn)。相位就是相角，與位置、波長(cháng)、周期、時(shí)間等有關(guān)，相位差就是相位的差異。如果撇開(kāi)數學(xué)，純粹定性的話(huà)，在雷達天線(xiàn)面上，各天線(xiàn)同時(shí)發(fā)射電磁波，則各電磁波就是同相，如果各天線(xiàn)發(fā)射電磁波有先後次序，則各天線(xiàn)發(fā)射之電磁波有相位差。這么解釋較容易體會(huì )吧！現在來(lái)考慮同相的情況，我們在x軸上等間格安置一模一樣的點(diǎn)波原，點(diǎn)波原在平面上傳波方式為圓形平面，現在只要考慮x軸以上，因為他與x軸以下情況是一樣的。今假設過(guò)了一段時(shí)間，各波原產(chǎn)生的波行進(jìn)的距離是一樣的，因此可以各波原為圓心取相同半徑畫(huà)半圓，如此可得到各波波前交織在一起的圖像，如果繼續畫(huà)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(xiàn)的最前端，事實(shí)上這就是其巨觀(guān)之波前。現在，我們在每?jì)牲c(diǎn)中間再加一個(gè)點(diǎn)波原，趙相同方法作圖，會(huì )發(fā)現最前端曲線(xiàn)，也就是合成波前，更加平滑，所以說(shuō)，當點(diǎn)波原距離越近，合成波前就越接近與這些點(diǎn)波原連線(xiàn)平行之曲線(xiàn)(在此為直線(xiàn))，這就是＂海更士原理＂，只不過(guò)海更士是倒過(guò)來(lái)說(shuō)的：＂波前可視為無(wú)線(xiàn)多個(gè)點(diǎn)撥圓的連線(xiàn)。＂經(jīng)由實(shí)驗可以知道這是成立的。對了，有沒(méi)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(zhù)，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(diǎn)波原，為了方便說(shuō)明，由左到又依次編號1，2，3....，并假設由1開(kāi)始每格一個(gè)周期T的時(shí)間間隔下一個(gè)點(diǎn)波原才開(kāi)始發(fā)射(時(shí)間間格可以自己挑，不過(guò)選擇一個(gè)周期最好畫(huà))。好，開(kāi)始畫(huà)圖吧：t=0時(shí)，1號開(kāi)始發(fā)射。t=T時(shí)，2號開(kāi)始發(fā)射，因為經(jīng)過(guò)了一個(gè)周期，所以1也開(kāi)始發(fā)射下一個(gè)波。t=2T時(shí)，以1號為圓心有兩個(gè)半圓，以二號為圓心有一個(gè)半圓，同時(shí)1,2,3同時(shí)發(fā)射下一個(gè)波。照這樣畫(huà)下去，就會(huì )發(fā)現跟先前同相時(shí)的例子一樣的圓弧交線(xiàn)，而且是朝著(zhù)右上方傳遞的，當波原很接近時(shí)，該曲線(xiàn)就接近直線(xiàn)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(wèn)題了，如天線(xiàn)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個(gè)天線(xiàn)來(lái)當一個(gè)雷達用，或選用多個(gè)區塊構成多組雷達來(lái)偵查同一目標以增加解析度，有的書(shū)籍上說(shuō)相控陣雷達的每一個(gè)天線(xiàn)都相當於一個(gè)雷達，這會(huì )造成相當大的誤解：如果每個(gè)都是雷達，何必選用一組去照射目標？每個(gè)天線(xiàn)固定在那里，要怎么去轉向？了解其原理，就能避開(kāi)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，因此也具有電戰功能，當然波束能多窄式取決於其他技術(shù)的，像美國APG-77雷達就可發(fā)射發(fā)散角僅2度(最外側波行進(jìn)方向與中央線(xiàn)之夾角)的窄波束。具有更好的反探測及電戰能力
看看這里，就知道了。
相對于相控陣透鏡天線(xiàn)的兩大優(yōu)勢是：透鏡天線(xiàn)的旁瓣和后瓣小，其方向圖比較好以及透鏡天線(xiàn)對制造透鏡的精度要求不高，因而制造比較簡(jiǎn)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(huì )聚成窄波束。透鏡就是能將電磁波通過(guò)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(guò)“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(zhù)其口面場(chǎng)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(zhì)制成，那么這個(gè)透鏡就是會(huì )聚的，通常稱(chēng)為減速透鏡；透鏡材料的折射系數小于1時(shí)，透鏡的作用是發(fā)散的、加速的，通常稱(chēng)為加速透鏡。當透鏡正反兩面都是折射面時(shí)，則稱(chēng)為雙面透鏡，當只有照射面是折射面時(shí)，則稱(chēng)為單面透鏡。
龍伯透鏡天線(xiàn)：
透鏡天線(xiàn)中的透鏡是一組光學(xué)器件，具體是利用透鏡的折射率特性，將改變天線(xiàn)的增益（光學(xué)術(shù)語(yǔ)也可以是聚焦方向），應用于微波頻段中的透鏡天線(xiàn)，主要利用透鏡來(lái)修正饋源天線(xiàn)發(fā)出的球面波或柱面波，最終以平面波的形式實(shí)現電磁波能量的聚焦。
其中透鏡天線(xiàn)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(lái)來(lái)實(shí)現天線(xiàn)的增益。
鏡天線(xiàn)中的一種重要形式，理想的龍伯透鏡的相對介電常數從球心為2到表面為1連續變化，具有獨特的完美光學(xué)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(xué)理論提出龍伯透鏡。