Una antena de lente es una antena direccional que utiliza una pieza moldeada de material transparente a las microondas para doblar y enfocar las microondas 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 bocina, 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] Por el contrario, en una antena receptora , 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 alimentadas 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 tenga un tamaño manejable. La lente puede estar hecha de un material dieléctrico como plástico, o una estructura compuesta de placas de metal 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, de modo que el espesor variable de la lente retrasa las microondas que pasan 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 lento 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 lente, 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 ambas, las microondas emitidas por una pequeña antena de alimentación son moldeadas por una gran superficie óptica en la forma final deseada del haz. [4] Se utilizan menos que las antenas parabólicas debido a la aberración cromática y la absorción de energía de microondas por el material de la lente, su mayor peso y volumen, y la difícil fabricación y montaje. [3] Se utilizan como elementos colimadores en sistemas de microondas de alta ganancia, como antenas satelitales , radiotelescopios y radares de ondas milimétricas y se montan en las aberturas de las antenas de bocina para aumentar la ganancia .
Las lentes de microondas se pueden clasificar en dos tipos según la velocidad de propagación de las ondas de radio en el material de la lente: [2]
Los principales tipos de construcción de lentes son: [5] [6]
Lente zonificada : las lentes de microondas, especialmente los diseños de longitud de onda corta, tienden a ser excesivamente gruesas. Esto aumenta el peso, el volumen y las pérdidas de potencia en las lentes dieléctricas. Para reducir el grosor, las lentes a menudo se fabrican con una geometría zonificada , similar a una lente de Fresnel . La lente se corta hasta obtener un grosor uniforme en pasos anulares (circulares) concéntricos, manteniendo el mismo ángulo de superficie. [8] [9] Para mantener las microondas que pasan 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 fabricar una lente zonificada para una frecuencia específica.
Los primeros experimentos que utilizaban lentes para refractar y enfocar las ondas de radio se produjeron durante las primeras investigaciones sobre las 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 longitud de onda más larga. 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 los experimentos de óptica clásica con ondas de radio de longitud de onda corta, difractándolas con rejillas de difracción de alambre y refractándolas 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 brea de 6 pies. Estos experimentos, entre otros, confirmaron que tanto la luz como las ondas de radio consistían en ondas electromagnéticas predichas por Maxwell y que diferían únicamente en la frecuencia.
La posibilidad de concentrar ondas de radio enfocándolas en un haz como las ondas de luz interesó a muchos investigadores de la época. [11] En 1889, Oliver Lodge y James L. Howard intentaron refractar ondas de 300 MHz (1 metro) con lentes cilíndricas hechas de brea , pero no lograron 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. [12] A principios del mismo año, el físico indio Jagadish Chandra Bose en sus emblemáticos experimentos de microondas de 6-60 GHz (50-5 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 , [13] y patentando una antena receptora que consiste en una lente de vidrio que enfoca las microondas en un detector de cristal de galena . [10] También en 1894 Augusto Righi en sus experimentos de microondas en la Universidad de Bolonia enfocó ondas de 12 GHz (2,5 cm) con lentes de 32 cm de parafina y azufre .
Sin embargo, las microondas se limitaban a la propagación en línea de visión y no podían viajar más allá del horizonte, y los transmisores de chispa de microondas de baja potencia que se utilizaban tenían un alcance muy corto. Por lo tanto, el desarrollo práctico de la radio después de 1897 utilizó frecuencias mucho más bajas, para las cuales las antenas con lentes no eran adecuadas.
El desarrollo de las antenas de lentes modernas se produjo durante una gran expansión de la investigación en tecnología de microondas en torno a la Segunda Guerra Mundial para desarrollar el radar militar . En 1946, RK Luneburg inventó la lente de Luneburg .