렌즈 안테나

Lens antenna
1954년 미국 공군 나이키 아약스 대공미사일용 표적 추적 레이더 E-플레인 플레이트 렌즈 안테나
아타카마 밀리미터 어레이 전파 망원경의 유전체 렌즈/혼 안테나

렌즈 안테나는 광렌즈가 [1]빛에 대해 그러하듯이 마이크로파 투명 재료의 형상을 사용하여 굴절에 의해 전파를 구부리고 초점을 맞추는 마이크로파 안테나입니다.일반적으로 전파를 방사하는 패치 안테나 또는 경음기 안테나 등의 소형 공급 안테나로 구성되어 있으며, 전면에는 집속 렌즈 역할을 하는 유전체 또는 복합 재료가 있어 전파를 [2]빔으로 콜리메이트합니다.반대로 수신 안테나에서는 렌즈가 수신된 전파를 급전 안테나에 집중시키고, 급전 안테나는 이를 전류로 변환하여 무선 수신기에 공급합니다.그것들은 또한 보다 복잡한 방사선 패턴을 만들기 위해 FPA라고 불리는 공급 안테나 배열에 의해 공급될 수 있다.

좁은 빔을 생성하려면 렌즈가 전파의 파장보다 훨씬 커야 하므로 렌즈 안테나는 주로 무선 스펙트럼의 고주파 끝에서 사용되며 마이크로파 및 밀리미터파가 작은 파장으로 안테나의 크기를 관리할 수 있습니다.렌즈는 플라스틱과 같은 유전체 재료 또는 금속판 또는 [3]도파로의 복합 구조로 만들 수 있습니다.동작 원리는 광학 렌즈와 같습니다.마이크로파는 공기 중에서와 렌즈 재료 내에서 속도(위상 속도)가 다르기 때문에 렌즈 두께가 다르면 마이크로파가 통과하는 것이 지연되어 파면의 모양과 [2]파도의 방향이 바뀝니다.렌즈 안테나는 공기보다 렌즈 재료 내에서 마이크로파가 더 느리게 이동하는 지연 렌즈 안테나와 렌즈 재료 내에서 마이크로파가 더 빨리 이동하는 고속 렌즈 안테나 두 가지 유형으로 분류할 수 있습니다.광학렌즈와 마찬가지로 기하학광학이 렌즈 안테나를 설계하기 위해 사용되며, 일반 광학에서 사용되는 다양한 형태의 렌즈는 마이크로파 렌즈에 아날로그를 가지고 있다.

렌즈 안테나는 포물선 안테나와 유사하며 유사한 용도로 사용됩니다.양쪽에서 소급전 안테나가 방사하는 마이크로파는 대광학면에 의해 원하는 최종빔 [4]형상으로 성형된다.색수차와 렌즈 재료에 의한 마이크로파 전력 흡수, 중량 및 부피가 크고 제작 및 장착이 [3]어렵기 때문에 포물선 안테나보다 적게 사용됩니다.위성 안테나, 전파 망원경 및 밀리미터파 레이더와 같은 고이득 마이크로파 시스템에서 콜리메이션 소자로 사용되며, 이득을 높이기 위해 혼 안테나의 구멍에 장착됩니다.

종류들

마이크로파 렌즈는 렌즈 [2]재료의 전파 속도에 따라 두 가지 유형으로 분류할 수 있습니다.

  • 지연렌즈(저파렌즈): 이 타입에서는 자유공간보다 렌즈매체 내에서 전파가 더 느리게 이동한다.굴절률이 1보다 크므로 렌즈매체를 통과함으로써 경로길이가 증가한다.이것은 일반 광학 렌즈가 빛에 반응하는 것과 유사합니다.렌즈의 두꺼운 부분이 패스의 길이를 늘리기 때문에 볼록렌즈는 전파를 집중시키는 수렴렌즈, 오목렌즈는 일반 렌즈와 같이 전파를 분산시키는 발산렌즈다.지연 렌즈는 다음과 같이 구성됩니다.
  • 유전체 재료
  • H-플레인 플레이트 구조
  • 고속렌즈(고속파렌즈) : 이 타입에서는 자유공간보다 렌즈매체 내에서 전파가 빠르게 이동하기 때문에 굴절률이 1 미만이기 때문에 렌즈매체를 통과함으로써 광로장이 감소한다.일반 광학재료에는 아날로그가 없어 도파관 내 전파의 위상속도가 빛의 속도보다 클 수 있기 때문에 발생한다.렌즈의 두꺼운 부분이 경로 길이를 감소시키기 때문에 오목 렌즈는 전파를 집중시키는 수렴 렌즈, 볼록 렌즈는 일반 광학 렌즈와 반대되는 발산 렌즈이다.패스트 렌즈는 다음과 같이 구성되어 있습니다.
3-D view of parallel plate lens-b.png

렌즈 구조의 주요 유형은 다음과 같습니다.[5][6]

  • 천연 유전체 렌즈 - 유전체 재료로 만들어진 렌즈입니다.파장이 길기 때문에 마이크로파 렌즈는 광학 렌즈보다 표면 형상 공차가 훨씬 크다.폴리스티렌, 폴리에틸렌, 플렉시글라스 등의 부드러운 열가소성 플라스틱을 사용하는 경우가 많은데, 이 플라스틱은 성형되거나 필요한 형태로 변형될 수 있습니다.대부분의 유전체 재료는 마이크로파 주파수에서 상당한 감쇠와 분산을 가지고 있습니다.
  • 인공 유전체 렌즈 - 비전도성 지지 매체에 매달린 구체, 스트립, 디스크 또는 링과 같은 소형 금속 도체의 3차원 배열에 의해 마이크로파 파장에서의 유전체의 특성을 시뮬레이션합니다.
마이크로파를 굴절시키기 위해 분할 링 배열로 이루어진 메타 물질
  • 구속 렌즈 - 전자파의 방향을 제어하는 금속 잎, 덕트 또는 기타 구조로 구성된 렌즈입니다.선형 편광 전자파와 함께 사용됩니다.
  • E-플레인 금속판 렌즈 - 전기장 또는 E장 평면에 평행하게 간격이 긴 금속판으로 만들어진 렌즈입니다.이것은 고속 렌즈입니다.
  • H면 금속판 렌즈 - 자기장 또는 H장 평면에 평행하게 간격을 좁힌 금속판으로 만들어진 렌즈입니다.이것은 지연 렌즈입니다.
  • 도파관 렌즈 - 길이가 다른 도파관의 단면으로 이루어진 렌즈
  • 플레넬 존렌즈 - 플랫 플레넬존 플레이트.다른 플레넬존을 차단하는 동심원 고리 모양의 판금 링으로 구성됩니다.프린트 기판에 동박 모양으로 쉽게 제작할 수 있습니다.이 렌즈는 굴절이 아니라 회절에 의해 작동한다.플레이트 사이의 공간을 통과하는 마이크로파는 초점 평면에서 건설적으로 간섭합니다.색수차가 크고 주파수에 따라 다릅니다.
  • 루네부르크 렌즈 - 중앙을 [7]향해 단계적 또는 단계적 굴절률이 증가하는 구형 유전체 렌즈입니다.Luneburg 렌즈 안테나는 몇 가지 독특한 특징을 가지고 있습니다: 초점과 피드 안테나는 렌즈 표면에 위치해 있기 때문에 피드로부터의 모든 방사선을 넓은 각도로 집중시킵니다.여러 개의 피드 안테나와 함께 사용하여 여러 개의 빔을 생성할 수 있습니다.

존 렌즈 - 마이크로파 렌즈, 특히 짧은 파장 디자인은 지나치게 두꺼운 경향이 있습니다.이것에 의해, 유전체 렌즈의 중량, 벌크, 및 전력 손실이 증가합니다.두께를 줄이기 위해 렌즈는 종종 프레넬 렌즈와 유사한 구역 형상으로 만들어집니다.렌즈는 동심원(원형) 단계에서 균일한 두께로 깎여 동일한 표면 각도를 [8][9]유지합니다.여러 단계를 통과하는 마이크로파를 위상적으로 유지하려면 단계 간의 높이 차이가 파장의 정수 배수가 되어야 합니다.이러한 이유로 특정 주파수에 맞게 존 렌즈를 만들어야 합니다.

역사

1897년 존 암브로즈 플레밍이 파라핀 렌즈로 1.5GHz(20cm) 마이크로파를 굴절시키는 실험을 통해 Bose, Lodge 및 Righi의 이전 실험을 반복했습니다.유도 코일(I)에 의해 구동되는 개방 도파관 내에 스파크 갭을 가진 2개의 황동봉으로 이루어진 다이폴 안테나로 이루어진 스파크 갭 송신기(A)는, 레프트랜드 도파관(B)의 다이폴 수신 안테나에 원통 파라핀 렌즈(L)에 의해 집속되어 코히어라디오에 의해 검출되는 마이크로파의 빔을 발생시킨다.리시버(표시되지 않음). 트랜스미터가 펄스될 때마다 벨이 울립니다.플레밍은 렌즈가 장비에서 제거되었을 때, 초점을 맞추지 않은 송신기의 파동이 수신기를 작동시키기에는 너무 약하다는 것을 보여줌으로써 실제로 파동의 초점을 맞췄다는 것을 증명했다.

전파를 굴절시키고 초점을 맞추기 위해 렌즈를 사용한 첫 번째 실험은 1890년대에 전파에 대한 최초의 연구 중에 일어났다.1873년 수학 물리학자 제임스 클럭 맥스웰은 현재 맥스웰 방정식으로 불리는 그의 전자기 이론에서 전자파의 존재를 예측했고 빛이 매우 짧은 파장의 전자파로 구성된다고 제안했다.1887년 하인리히 헤르츠는 더 긴 파장의 전자파인 전파를 발견했다.초기 과학자들은 전파를 "보이지 않는 빛"의 한 형태로 생각했다.빛이 전자파라는 맥스웰의 이론을 실험하기 위해, 이 연구원들은 단파장 전파로 고전 광학 실험을 복제하고, 와이어 회절 격자로 회절하고, 유전체 프리즘과 파라핀, 피치, 유황 렌즈로 굴절시키는 데 집중했다.헤르츠는 1887년 6피트 길이의 프리즘을 사용하여 450MHz(66cm)의 전파 굴절을 처음 시연했다.다른 실험들 중 이러한 실험들은 빛과 전파가 모두 맥스웰이 예측한 주파수만 다른 전자파로 구성되어 있다는 것을 확인시켜 주었다.

전파를 광파처럼 빔에 집중시켜 집중시킬 수 있는 가능성은 [10]당시 많은 연구자들의 관심을 끌었다.1889년 올리버 로지와 제임스 L.하워드는 피치로 만든 원통형 렌즈로 300MHz(1m)의 파동을 굴절하려 했지만 파장보다 작아 초점 효과를 찾지 못했다.1894년 Lodge는 23cm 유리렌즈로 [11]4GHz(7.5cm) 마이크로파에 초점을 맞췄습니다.같은 해부터 인도 물리학자 Jagadish 찬드라 보스 그가 남긴 획기적인 6-60GHz(255mm)마이크로파 실험에 렌즈를 안테나를 건설하기 위해, 도파관 내 그의 불꽃 oscillator,[12]에서 마이크로파 빔 collimate고 수신 안테나 한잔으로 구성된 특허 2.5cm원통형 황 렌즈를 사용하여 추정된다.l갈레나 결정 [13]검출기에 마이크로파를 집중시킵니다.또한 1894년 볼로냐 대학의 오거스토 리기는 12GHz(3cm)의 파장에 파라핀과 유황을 32cm 렌즈로 집중시켰다.그러나 전자파는 가시선 전파에 한정되어 수평선 너머로 이동할 수 없었고, 사용된 저전력 전자파 스파크 송신기는 매우 짧은 범위를 가지고 있었다.따라서 1897년 이후 라디오의 실질적인 발전은 훨씬 낮은 주파수를 사용했고, 렌즈 안테나는 적합하지 않았다.

현대식 렌즈 안테나의 개발은 제2차 세계대전 전후 군사용 레이더 개발을 위한 마이크로파 기술 연구가 크게 확장되는 과정에서 일어났다.1946년에 R. K. 루네버그는 루네버그 렌즈를 발명했다.

레퍼런스

  1. ^ Graf, Rudolf F. (1999). Modern Dictionary of Electronics, 7th Ed. Elsevier. p. 420. ISBN 9780080511986.
  2. ^ a b c Kumar, Sanjay; Shukla, Saurabh (2015). Wave Propagation and Antenna Engineering. PHI Learning Pvt. Ltd. pp. 357–359. ISBN 9788120351042.
  3. ^ a b Johnson, Richard C. (1993). Antenna Engineering Handbook, 3rd Ed (PDF). McGraw-Hill. pp. 16.2–16.3. ISBN 007032381X.
  4. ^ Silver, Ed., Samuel (1984). Microwave Antenna Theory and Design. Institution of Electrical Engineers. p. 388. ISBN 9780863410178.
  5. ^ Kumar et al, 2015, 파동 전파 및 안테나 엔지니어링, 페이지 359-368
  6. ^ Chatterjee, Rajeswari (1996). Antenna Theory and Practice. New Age International. pp. 191–197. ISBN 9788122408812.
  7. ^ Chatterjee, Rajeswari (1996). Antenna Theory and Practice. New Age International. pp. 198–199. ISBN 9788122408812.
  8. ^ Kumar et al, 2015, 파동 전파 및 안테나 엔지니어링, 페이지 358-359
  9. ^ 은(1984) 마이크로파 안테나의 이론과 설계, 페이지 393-397
  10. ^ 코스텐코, A. A.; 노시치, A. I., 골드미스, P. F., "근밀리와 준밀리미터 파장의 소련 준생물의 역사적 배경과 발전"
  11. ^ Lodge, Oliver; Howard, James L. (1889). "On the concentration of electric radiation by lenses". Nature. MacMillan and Co. 40: 94.
  12. ^ Bose, Jagadish Chandra (January 1897). "On a complete apparatus for the study of the properties of electric waves". The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine. 43 (5): 55–88. doi:10.1080/14786449708620959. Retrieved January 30, 2018.
  13. ^ 미국 특허 755,840 Jagadis Chunder Bose, 전기장애 검출기 출원: 1901년 9월 30일 1904년 3월 29일 부여