هوائي عدسة

هوائي العدسة هو هوائي اتجاهي يستخدم قطعة مُشكّلة من مادة شفافة للموجات الميكروية لثني وتركيز هذه الموجات عن طريق الانكسار ، كما تفعل العدسة البصرية مع الضوء. ^{[ 1 ]} يتكون عادةً من هوائي تغذية صغير ، مثل هوائي رقعي أو هوائي بوقي، يُشعّ موجات الراديو، مع قطعة من مادة عازلة أو مركبة أمامه تعمل كعدسة مُجمّعة لتجميع موجات الراديو في حزمة واحدة. [ ^{2 ] في} المقابل، في هوائي الاستقبال ، تُركّز العدسة موجات الراديو الواردة على هوائي التغذية، الذي يُحوّلها إلى تيارات كهربائية تُرسل إلى جهاز استقبال الراديو . كما يُمكن تغذيتها بواسطة مصفوفة من هوائيات التغذية، تُسمى مصفوفة المستوى البؤري (FPA)، لإنشاء أنماط إشعاع أكثر تعقيدًا.

لإنتاج حزم ضيقة، يجب أن تكون العدسة أكبر بكثير من الطول الموجي للموجات الراديوية، لذا تُستخدم هوائيات العدسات بشكل أساسي في الطرف عالي التردد من الطيف الراديوي ، مع الموجات الميكروية والموجات المليمترية ، حيث يسمح طولها الموجي القصير بأن يكون حجم الهوائي مناسبًا. يمكن صنع العدسة من مادة عازلة مثل البلاستيك، أو من هيكل مركب من صفائح معدنية أو موجهات موجية . ^{[ 3 ]} مبدأ عملها هو نفسه مبدأ عمل العدسة البصرية: حيث تكون سرعة الموجات الميكروية ( سرعة الطور ) داخل مادة العدسة مختلفة عن سرعتها في الهواء، مما يؤدي إلى تأخير الموجات الميكروية المارة عبرها بمقادير مختلفة، وبالتالي تغيير شكل جبهة الموجة واتجاهها. ^{[ 2 ]} يمكن تصنيف هوائيات العدسات إلى نوعين: هوائيات العدسات المؤجلة، حيث تنتقل الموجات الميكروية بشكل أبطأ داخل مادة العدسة مقارنةً بالهواء، وهوائيات العدسات السريعة ، حيث تنتقل الموجات الميكروية بشكل أسرع داخل مادة العدسة. كما هو الحال مع العدسات البصرية، تُستخدم البصريات الهندسية لتصميم هوائيات العدسات، وللأشكال المختلفة للعدسات المستخدمة في البصريات العادية نظائر في عدسات الميكروويف.

تتشابه هوائيات العدسات مع الهوائيات المكافئة وتُستخدم في تطبيقات مماثلة. ففي كليهما، تُشكّل الموجات الميكروية المنبعثة من هوائي تغذية صغير بواسطة سطح بصري كبير لتكوين شكل الحزمة النهائي المطلوب. ^{[ 4 ]} ويُستخدم هذا النوع من الهوائيات بشكل أقل من الهوائيات المكافئة نظرًا للانحراف اللوني وامتصاص طاقة الموجات الميكروية بواسطة مادة العدسة، بالإضافة إلى وزنها وحجمها الأكبر، وصعوبة تصنيعها وتركيبها. ^{[ 3 ]} وتُستخدم هوائيات العدسات كعناصر تجميع في أنظمة الموجات الميكروية عالية الكسب، مثل هوائيات الأقمار الصناعية والتلسكوبات الراديوية ورادارات الموجات المليمترية ، كما تُركّب في فتحات هوائيات البوق لزيادة الكسب .

يمكن تصنيف عدسات الميكروويف إلى نوعين حسب سرعة انتشار الموجات الراديوية في مادة العدسة: ^{[ 2 ]}

• عدسة التأخير (عدسة الموجات البطيئة) : في هذا النوع، تنتقل الموجات الراديوية أبطأ في وسط العدسة مقارنةً بالفضاء الحر؛ معامل الانكسار أكبر من واحد، لذا يزداد طول المسار عند مرورها عبر وسط العدسة. وهذا مشابه لعمل العدسة البصرية العادية على الضوء. ولأن الأجزاء السميكة من العدسة تزيد من طول المسار ، فإن العدسة المحدبة هي عدسة مجمعة تُركز الموجات الراديوية، بينما العدسة المقعرة هي عدسة مفرقة تُشتت الموجات الراديوية، كما هو الحال في العدسات العادية. تُصنع عدسات التأخير من

• المواد العازلة
• هياكل الصفائح المستوية H

• العدسة السريعة (عدسة الموجات السريعة) : في هذا النوع، تنتقل الموجات الراديوية بسرعة أكبر في وسط العدسة مقارنةً بالفضاء الحر، لذا يكون معامل الانكسار أقل من واحد، مما يقلل طول المسار البصري عند مرورها عبر وسط العدسة. لا يوجد لهذا النوع نظير في المواد البصرية العادية، ويحدث ذلك لأن سرعة طور الموجات الراديوية في الموجهات الموجية قد تكون أكبر من سرعة الضوء . ولأن الأجزاء السميكة من العدسة تقلل طول المسار، فإن العدسة المقعرة هي عدسة مجمعة تُركز الموجات الراديوية، بينما العدسة المحدبة هي عدسة مفرقة، عكس العدسات البصرية العادية. تُصنع العدسات السريعة من

• هياكل الألواح المستوية E
• المواد الفائقة ذات معامل الانكسار السالب

الأنواع الرئيسية لبنية العدسات هي: ^{[ 5 ] [ 6 ]}

• العدسة العازلة الطبيعية - عدسة مصنوعة من مادة عازلة . نظرًا لطول الموجة، تتمتع عدسات الميكروويف بتفاوتات أكبر بكثير في شكل السطح مقارنةً بالعدسات البصرية. غالبًا ما تُستخدم اللدائن الحرارية اللينة مثل البوليسترين والبولي إيثيلين والبلكسي جلاس ، والتي يمكن تشكيلها أو تدويرها إلى الشكل المطلوب. تتميز معظم المواد العازلة بتوهين وتشتت كبيرين عند ترددات الميكروويف.
• العدسة العازلة الاصطناعية - تحاكي هذه العدسة خصائص العازل عند أطوال موجات الميكروويف بواسطة مصفوفة ثلاثية الأبعاد من موصلات معدنية صغيرة، مثل الكرات أو الشرائح أو الأقراص أو الحلقات المعلقة في وسط داعم غير موصل.

• العدسة المقيدة - عدسة تتكون من صفائح معدنية أو قنوات أو هياكل أخرى تتحكم في اتجاه الموجات الدقيقة. وهي تستخدم مع الموجات الدقيقة المستقطبة خطيًا .

• عدسة الصفيحة المعدنية المستوية E - عدسة مصنوعة من صفائح معدنية متقاربة موازية لمستوى المجال الكهربائي أو E. هذه عدسة سريعة.
• عدسة ذات صفيحة معدنية مستوية H - عدسة مصنوعة من صفائح معدنية متقاربة موازية لمستوى المجال المغناطيسي أو H. هذه عدسة تأخير.
• عدسة الموجة الدليلية - عدسة مصنوعة من أجزاء قصيرة من الموجة الدليلية بأطوال مختلفة

• عدسة منطقة فريسنل - عبارة عنصفيحة فريسنل، تتكون من حلقات معدنية دائرية متحدة المركز تحجبمناطق فريسنل. يمكن تصنيعها بسهولة باستخدام رقائق نحاسية علىلوحة دوائر مطبوعة. تعمل هذه العدسة عن طريقالحيود، وليسالانكسار. تتداخل الموجات الميكروية التي تمر عبر الفراغات بين الصفائحتداخلاً بناءًعند مستوى البؤرة. تتميز هذهالعدسة بانحراف لوني، لذا فهي تعتمد على تردد معين.
• عدسة لونيبيرغ - عدسة كروية عازلة ذات معامل انكسار متدرج يزداد باتجاه المركز. ^{[ 7 ]} تتميز هوائيات عدسة لونيبيرغ بعدة خصائص فريدة:البؤرةوهوائي التغذية على سطح العدسة، مما يسمح بتركيز الإشعاع الصادر من هوائي التغذية على زاوية واسعة. ويمكن استخدامها مع هوائيات تغذية متعددة لإنشاء حزم متعددة.

العدسات ذات المناطق - تميل عدسات الميكروويف، وخاصةً تلك المصممة للأطوال الموجية القصيرة، إلى أن تكون سميكة للغاية. وهذا يزيد من وزنها وحجمها وفقدان الطاقة فيها. ولتقليل سمكها، تُصنع العدسات غالبًا بتصميم ذي مناطق ، على غرار عدسة فريسنل . تُقطع العدسة إلى سمك موحد على شكل حلقات متحدة المركز (دائرية)، مع الحفاظ على نفس زاوية السطح. ^{[ 8 ] [ 9 ]} وللحفاظ على توافق طور الموجات الميكروية المارة عبر المراحل المختلفة، يجب أن يكون فرق الارتفاع بين المراحل مضاعفًا صحيحًا للطول الموجي. ولهذا السبب، يجب تصميم العدسة ذات المناطق لتردد محدد.

هوائي استقبال الموجات المليمترية من براءة اختراع بوز لعام 1901. ^{[ 10 ]} تم تصميم هذا الإصدار عمدًا ليبدو ويعمل مثل مقلة العين البشرية، مع عدسة زجاجية تركز الموجات المليمترية على كاشف نقطة اتصال من الغالينا.

تجربةٌ تُوضِّح انكسار  موجات الميكروويف بتردد 1.5 جيجاهرتز (20 سم) بواسطة عدسة من البارافين، أجراها جون أمبروز فليمنج عام 1897، مُكرِّرًا بذلك تجارب سابقة أجراها كلٌّ من بوز ولودج وريغي. يتكون مُرسِل شرارة ( A )، من هوائي ثنائي القطب مصنوع من قضيبين نحاسيين بينهما فجوة شرارة داخل دليل موجي مفتوح، ويُغذَّى بواسطة ملف حث ( I )، يُولِّد حزمة من موجات الميكروويف التي تُركِّزها عدسة البارافين الأسطوانية ( L ) على هوائي استقبال ثنائي القطب في الدليل الموجي الأيسر ( B )، ويتم الكشف عنها بواسطة مُستقبِل راديو متماسك (غير مُوضَّح)، والذي يُصدر رنينًا في كل مرة يُشغَّل فيها المُرسِل بنبضة. أثبت فليمنج أن العدسة تُركِّز الموجات بالفعل، وذلك بإظهار أنه عند إزالة العدسة من الجهاز، تكون الموجات غير المُركَّزة الصادرة من المُرسِل ضعيفة جدًا بحيث لا تُفعِّل المُستقبِل.

بدأت التجارب الأولى لاستخدام العدسات في انكسار وتركيز الموجات الراديوية خلال الأبحاث المبكرة حولها في تسعينيات القرن التاسع عشر. ففي عام ١٨٧٣، تنبأ الفيزيائي الرياضي جيمس كلارك ماكسويل ، في نظريته الكهرومغناطيسية (المعروفة الآن بمعادلات ماكسويل )، بوجود الموجات الكهرومغناطيسية ، واقترح أن الضوء يتكون من موجات كهرومغناطيسية ذات أطوال موجية قصيرة جدًا . وفي عام ١٨٨٧، اكتشف هاينريش هيرتز الموجات الراديوية، وهي موجات كهرومغناطيسية ذات أطوال موجية أطول. اعتقد العلماء الأوائل أن الموجات الراديوية شكل من أشكال "الضوء غير المرئي". ولاختبار نظرية ماكسويل القائلة بأن الضوء عبارة عن موجات كهرومغناطيسية، ركز هؤلاء الباحثون على محاكاة تجارب البصريات الكلاسيكية باستخدام موجات راديوية ذات أطوال موجية قصيرة، حيث قاموا بحيودها باستخدام محززات حيود سلكية ، وانكسارها باستخدام موشورات وعدسات عازلة مصنوعة من البارافين والقطران والكبريت . أثبت هيرتز لأول مرة انكسار موجات الراديو بتردد 450 ميجاهرتز (66 سم) في عام 1887 باستخدام منشور طوله 6 أقدام. وقد أكدت هذه التجارب، إلى جانب تجارب أخرى، أن الضوء وموجات الراديو كلاهما يتكونان من الموجات الكهرومغناطيسية التي تنبأ بها ماكسويل، ويختلفان فقط في التردد.  

أثارت إمكانية تركيز الموجات الراديوية عن طريق توجيهها في حزمة شبيهة بموجات الضوء اهتمام العديد من الباحثين في ذلك الوقت. ^{[ 11 ]} في عام 1889، حاول أوليفر لودج وجيمس إل. هوارد كسر  موجات بتردد 300 ميجاهرتز (متر واحد) باستخدام عدسات أسطوانية مصنوعة من القار ، لكنهما فشلا في إيجاد تأثير تركيز لأن الجهاز كان أصغر من الطول الموجي. في عام 1894، نجح لودج في تركيز موجات ميكروية  بتردد 4 جيجاهرتز (7.5  سم) باستخدام عدسة زجاجية طولها 23 سم. ^{[ 12 ]} في العام نفسه، ربما كان الفيزيائي الهندي جاغاديش تشاندرا بوس، في تجاربه الرائدة على الموجات الميكروية بتردد 6-60 جيجاهرتز (50-5 مم)، أول من صنع هوائيات عدسية، مستخدمًا عدسة كبريت أسطوانية طولها 2.5 سم في دليل موجي لتجميع حزمة الموجات الميكروية من مذبذب الشرارة الخاص به ، ^{[ 13 ]} وحصل على براءة اختراع لهوائي استقبال يتكون من عدسة زجاجية تركز الموجات الميكروية على كاشف بلوري من الغالينا . ^{[ 10 ]} وفي عام 1894 أيضًا، قام أوغوستو ريغي في تجاربه على الموجات الدقيقة في جامعة بولونيا بتركيز موجات 12 جيجاهرتز (2.5 سم) باستخدام عدسات 32 سم من البارافين والكبريت .       

مع ذلك، كانت الموجات الميكروية محدودة الانتشار ضمن خط البصر ، ولم تكن قادرة على تجاوز الأفق، كما أن أجهزة إرسال شرارة الموجات الميكروية منخفضة الطاقة المستخدمة آنذاك كانت ذات مدى قصير جدًا. لذا، اعتمد التطوير العملي للراديو بعد عام ١٨٩٧ على ترددات أقل بكثير، لم تكن هوائيات العدسات مناسبة لها.

حدث تطوير هوائيات العدسات الحديثة خلال توسع كبير في أبحاث تكنولوجيا الموجات الدقيقة في فترة الحرب العالمية الثانية لتطوير الرادار العسكري . وفي عام 1946، اخترع آر كي لونيبورغ عدسة لونيبورغ .