Una antena de lente es una antena de microondas que usa una pieza con forma de material transparente a las microondas para doblar y enfocar las ondas de radio por refracción , como lo hace una lente óptica para la luz. [1] Por lo general, consiste en una pequeña antena de alimentación como una antena de parche o una antena de cuerno que irradia ondas de radio, con una pieza de material dieléctrico o compuesto en el frente que funciona como una lente convergente para colimar las ondas de radio en un haz. [2] A la inversa, en una recepciónantena la lente enfoca las ondas de radio entrantes en la antena de alimentación, que las convierte en corrientes eléctricas que se envían a un receptor de radio . También pueden ser alimentados por una matriz de antenas de alimentación, llamada matriz de plano focal (FPA), para crear patrones de radiación más complicados.
Para generar haces estrechos, la lente debe ser mucho más grande que la longitud de onda de las ondas de radio, por lo que las antenas de lente se utilizan principalmente en el extremo de alta frecuencia del espectro de radio , con microondas y ondas milimétricas , cuyas pequeñas longitudes de onda permiten que la antena sea un tamaño manejable. La lente puede estar hecha de un material dieléctrico como plástico o una estructura compuesta de placas metálicas o guías de ondas . [3] Su principio de funcionamiento es el mismo que el de una lente óptica: las microondas tienen una velocidad diferente ( velocidad de fase ) dentro del material de la lente que en el aire, por lo que el grosor variable de la lente retrasa el paso de las microondas a través de ella en diferentes cantidades, cambiando la forma del frente de onda y la dirección de las ondas. [2] Las antenas de lente se pueden clasificar en dos tipos: antenas de lente de retardo en las que las microondas viajan más lentamente en el material de la lente que en el aire, y antenas de lente rápida en las que las microondas viajan más rápido en el material de la lente. Al igual que con las lentes ópticas, la óptica geométrica se utiliza para diseñar antenas de lentes, y las diferentes formas de lentes utilizadas en la óptica ordinaria tienen análogos en las lentes de microondas.
Las antenas de lente tienen similitudes con las antenas parabólicas y se utilizan en aplicaciones similares. En ambos, las microondas emitidas por una pequeña antena de alimentación son moldeadas por una gran superficie óptica en la forma de haz final deseada. [4] Se utilizan menos que las antenas parabólicas debido a la aberración cromática y la absorción de potencia de microondas por el material de la lente, su mayor peso y volumen, y su difícil fabricación y montaje. [3] Se utilizan como elementos de colimación en sistemas de microondas de alta ganancia, como antenas de satélite , radiotelescopios y radares de ondas milimétricas, y se montan en las aberturas de las antenas de bocina para aumentar la ganancia .
Tipos
Las lentes de microondas se pueden clasificar en dos tipos por la velocidad de propagación de las ondas de radio en el material de la lente: [2]
- Lente de retardo (lente de onda lenta) : en este tipo, las ondas de radio viajan más lentamente en el medio de la lente que en el espacio libre; el índice de refracción es mayor que uno, por lo que la longitud de la trayectoria aumenta al pasar a través del medio de la lente. Esto es similar a la acción de una lente óptica ordinaria sobre la luz. Dado que las partes más gruesas de la lente aumentan la longitud de la trayectoria , una lente convexa es una lente convergente que enfoca las ondas de radio, y una lente cóncava es una lente divergente que dispersa las ondas de radio, como en las lentes ordinarias. Las lentes de retardo están fabricadas con
- Materiales dieléctricos
- Estructuras de placas de plano H
- Lente rápida (lente de onda rápida) : en este tipo las ondas de radio viajan más rápido en el medio de la lente que en el espacio libre, por lo que el índice de refracción es menor que uno, por lo que la longitud del camino óptico se reduce al pasar a través del medio de la lente. Este tipo no tiene análogo en los materiales ópticos ordinarios, se produce porque la velocidad de fase de las ondas de radio en las guías de ondas puede ser mayor que la velocidad de la luz. Dado que las partes más gruesas de la lente disminuyen la longitud de la trayectoria, una lente cóncava es una lente convergente que enfoca las ondas de radio, y una lente convexa es una lente divergente, lo opuesto a las lentes ópticas ordinarias. Las lentes rápidas están hechas de
- Estructuras de placa de plano E
- Metamateriales de índice negativo
Los principales tipos de construcción de lentes son: [5] [6]
- Lente dieléctrica natural : una lente hecha de una pieza dematerial dieléctrico . Debido a la longitud de onda más larga, las lentes de microondas tienen tolerancias de forma de superficie mucho mayores que las lentes ópticas. Amenudo se utilizan termoplásticos blandoscomo poliestireno , polietileno y plexiglás , que se pueden moldear o dar vuelta a la forma requerida. La mayoría de los materiales dieléctricos tienen una atenuación y una dispersión significativasen las frecuencias de microondas.
- Lente dieléctrica artificial : simula las propiedades de un dieléctrico en longitudes de onda de microondas mediante una matriz tridimensional de pequeños conductores metálicos, como esferas, tiras, discos o anillos suspendidos en un medio de soporte no conductor.
- Lente restringida : una lente compuesta de estructuras que controlan la dirección de las microondas. Se utilizan conmicroondas polarizados linealmente .
- E-plano de lente placa de metal - una lente hecha de estrechamente espaciada placas de metal paralelas al plano de la campo eléctrico o E . Esta es una lente rápida.
- H-plano de lente placa de metal - una lente hecha de estrechamente espaciada placas de metal paralelas al plano de la campo magnético o H . Esta es una lente de retardo.
- Lente de guía de ondas : una lente hecha de secciones cortas de guía de ondas de diferentes longitudes
- Lente de zona de Fresnel : unaplaca de zona de Fresnelplana, que consta de anillos de chapa metálica anulares concéntricos que bloqueanlas zonas de Fresnelalternativas. Se puede fabricar fácilmente con formas de láminas de cobre en unaplaca de circuito impreso. Esta lente funciona pordifracción, no porrefracción. Las microondas que pasan por los espacios entre las placasinterfieren constructivamenteen el plano focal. Tiene una granaberración cromáticay, por lo tanto, es específico de frecuencia.
- Lente de Luneburg : una lente dieléctrica esférica con un índice de refracción escalonado o graduado que aumenta hacia el centro. [7] Las antenas de lente de Luneburg tienen varias características únicas: elpunto focaly la antena de alimentación están ubicadas en la superficie de la lente, por lo que enfoca toda la radiación de la alimentación en un gran ángulo. Se puede utilizar con múltiples antenas de alimentación para crear múltiples haces.
Lente dividida en zonas : las lentes de microondas, especialmente los diseños de longitud de onda corta, tienden a ser excesivamente gruesas. Esto aumenta las pérdidas de peso, volumen y potencia en las lentes dieléctricas. Para reducir el grosor, las lentes a menudo se fabrican con una geometría dividida en zonas , similar a una lente de Fresnel . La lente se corta a un espesor uniforme en pasos anulares (circulares) concéntricos, manteniendo el mismo ángulo de superficie. [8] [9] Para mantener las microondas pasando por diferentes pasos en fase, la diferencia de altura entre los pasos debe ser un múltiplo integral de una longitud de onda. Por esta razón, se debe hacer una lente dividida en zonas para una frecuencia específica.
Historia
Los primeros experimentos que utilizaron lentes para refractar y enfocar ondas de radio ocurrieron durante la primera investigación sobre ondas de radio en la década de 1890. En 1873, el físico matemático James Clerk Maxwell en su teoría electromagnética, ahora llamada ecuaciones de Maxwell , predijo la existencia de ondas electromagnéticas y propuso que la luz consistía en ondas electromagnéticas de longitud de onda muy corta . En 1887, Heinrich Hertz descubrió las ondas de radio, ondas electromagnéticas de mayor longitud de onda. Los primeros científicos pensaban en las ondas de radio como una forma de "luz invisible". Para probar la teoría de Maxwell de que la luz eran ondas electromagnéticas, estos investigadores se concentraron en duplicar experimentos de óptica clásica con ondas de radio de longitud de onda corta, difractarlas con rejillas de difracción de alambre y refractarlas con prismas dieléctricos y lentes de parafina , brea y azufre . Hertz demostró por primera vez la refracción de ondas de radio de 450 MHz (66 cm) en 1887 utilizando un prisma de paso de 6 pies. Estos experimentos, entre otros, confirmaron que la luz y las ondas de radio estaban formadas por ondas electromagnéticas predichas por Maxwell, que solo diferían en frecuencia.
La posibilidad de concentrar ondas de radio enfocándolas en un rayo como ondas de luz interesó a muchos investigadores de la época. [10] En 1889, Oliver Lodge y James L. Howard intentaron refractar ondas de 300 MHz (1 metro) con lentes cilíndricos hechos de tono , pero no pudieron encontrar un efecto de enfoque porque el aparato era más pequeño que la longitud de onda. En 1894, Lodge enfocó con éxito microondas de 4 GHz (7,5 cm) con una lente de vidrio de 23 cm. [11] A partir del mismo año, el físico indio Jagadish Chandra Bose en sus experimentos de microondas de 6 a 60 GHz (25 a 5 mm) puede haber sido el primero en construir antenas de lentes, utilizando una lente de azufre cilíndrica de 2,5 cm en una guía de ondas para colimar el haz de microondas de su oscilador de chispa , [12] y patentando una antena receptora que consiste en una lente de vidrio que enfoca las microondas en un detector de cristal galena . [13] También en 1894 Augusto Righi en sus experimentos de microondas en la Universidad de Bolonia enfocó ondas de 12 GHz (3 cm) con lentes de 32 cm de parafina y azufre . Sin embargo, las microondas se limitaban a la propagación en la línea de visión y no podían viajar más allá del horizonte, y los transmisores de chispas de microondas de baja potencia utilizados tenían un alcance muy corto. Entonces, el desarrollo práctico de la radio después de 1897 utilizó frecuencias mucho más bajas, para las cuales las antenas de lentes no eran adecuadas.
El desarrollo de antenas de lentes modernas se produjo durante una gran expansión de la investigación en tecnología de microondas alrededor de la Segunda Guerra Mundial para desarrollar radares militares . En 1946, RK Luneberg inventó la lente Luneberg .
Referencias
- ^ Graf, Rudolf F. (1999). Diccionario moderno de electrónica, 7ª ed . Elsevier. pag. 420. ISBN 9780080511986.
- ^ a b c Kumar, Sanjay; Shukla, Saurabh (2015). Propagación de ondas e ingeniería de antenas . PHI Learning Pvt. Ltd. págs. 357–359. ISBN 9788120351042.
- ^ a b Johnson, Richard C. (1993). Manual de ingeniería de antenas, 3ª edición (PDF) . McGraw-Hill. págs. 16.2–16.3. ISBN 007032381X.
- ^ Silver, Ed., Samuel (1984). Teoría y diseño de antenas de microondas . Institución de Ingenieros Eléctricos. pag. 388. ISBN 9780863410178.
- ^ Kumar et al, 2015, Propagación de ondas e ingeniería de antenas , p. 359-368
- ^ Chatterjee, Rajeswari (1996). Teoría y práctica de antenas . New Age International. págs. 191-197. ISBN 9788122408812.
- ^ Chatterjee, Rajeswari (1996). Teoría y práctica de antenas . New Age International. págs. 198-199. ISBN 9788122408812.
- ^ Kumar et al, 2015, Propagación de ondas e ingeniería de antenas , p. 358-359
- ^ Silver (1984) Teoría y diseño de antenas de microondas , p. 393-397
- ^ Kostenko, AA; Nosich, AI, Goldsmith, PF, "Antecedentes históricos y desarrollo de cuasiópticos soviéticos en longitudes de onda casi milimétricas y submilimétricas" en Sarkar, TK; Mailloux, Robert; Oliner, Arthur A. (2006). Historia de la tecnología inalámbrica . John Wiley e hijos. págs. 481–482, 489. ISBN 978-0471783015.
- ^ Lodge, Oliver; Howard, James L. (1889). "Sobre la concentración de radiación eléctrica por lentes". Naturaleza . MacMillan y Co. 40 : 94.
- ^ Bose, Jagadish Chandra (enero de 1897). "Sobre un aparato completo para el estudio de las propiedades de las ondas eléctricas" . Revista filosófica de Londres, Edimburgo y Dublín . 43 (5): 55–88. doi : 10.1080 / 14786449708620959 . Consultado el 30 de enero de 2018 .
- ^ Patente estadounidense 755,840 Jagadis Chunder Bose, Detector de perturbaciones eléctricas , presentada: 30 de septiembre de 1901, concedida el 29 de marzo de 1904