เสาอากาศเลนส์เป็นเสาอากาศแบบทิศทางที่ใช้ชิ้นส่วน วัสดุโปร่งแสง ไมโครเวฟ ที่มีรูปร่างเฉพาะ เพื่อดัดและโฟกัสคลื่นไมโครเวฟโดยการหักเหเช่นเดียวกับที่เลนส์ ทางแสง ทำกับแสง^{[ 1 ]} โดยทั่วไปประกอบด้วยเสาอากาศป้อน ขนาดเล็ก เช่นเสาอากาศแบบแพทช์หรือเสาอากาศแบบฮอร์นซึ่งแผ่คลื่นวิทยุ โดยมีชิ้นส่วนของ วัสดุ ไดอิเล็กทริกหรือวัสดุผสมอยู่ด้านหน้าซึ่งทำหน้าที่เป็นเลนส์ รวมแสง เพื่อรวมคลื่นวิทยุให้เป็นลำแสง^{[ 2 ]} ในทางกลับกัน ใน เสาอากาศ รับสัญญาณเลนส์จะโฟกัสคลื่นวิทยุที่เข้ามาไปยังเสาอากาศป้อน ซึ่งจะแปลงเป็นกระแสไฟฟ้าที่ส่งไปยังเครื่องรับวิทยุ นอกจากนี้ยังสามารถป้อนโดยอาร์เรย์ของเสาอากาศป้อนที่เรียกว่าอาร์เรย์ระนาบโฟกัส (FPA) เพื่อสร้างรูปแบบการแผ่รังสีที่ซับซ้อนยิ่งขึ้น

เพื่อสร้างลำแสงแคบ เลนส์จะต้องมีขนาดใหญ่กว่าความยาวคลื่นของคลื่นวิทยุมาก ดังนั้นเสาอากาศเลนส์จึงส่วนใหญ่ใช้ที่ ปลาย ความถี่ สูง ของสเปกตรัมวิทยุเช่นไมโครเวฟและคลื่นมิลลิเมตรซึ่งความยาวคลื่นที่สั้นทำให้เสาอากาศมีขนาดที่จัดการได้ เลนส์สามารถทำจากวัสดุไดอิเล็กทริก เช่น พลาสติก หรือโครงสร้างคอมโพสิตของแผ่นโลหะหรือตัวนำคลื่น^{[ 3 ]} หลักการทำงานของมันเหมือนกับเลนส์ออปติคอล: ไมโครเวฟมีความเร็ว (ความเร็วเฟส) ที่แตกต่างกันภายในวัสดุเลนส์เมื่อเทียบกับในอากาศ ดังนั้นความหนาของเลนส์ที่เปลี่ยนแปลงจะทำให้ไมโครเวฟที่ผ่านเข้าไปเกิดการหน่วงเวลาในปริมาณที่แตกต่างกัน ส่งผลให้รูปร่างของหน้าคลื่นและทิศทางของคลื่นเปลี่ยนแปลงไป^{[ 2 ]} เสาอากาศเลนส์สามารถจำแนกได้เป็นสองประเภท: เสาอากาศเลนส์หน่วงเวลาซึ่งไมโครเวฟเดินทางช้ากว่าในวัสดุเลนส์เมื่อเทียบกับในอากาศ และเสาอากาศเลนส์เร็วซึ่งไมโครเวฟเดินทางเร็วกว่าในวัสดุเลนส์ เช่นเดียวกับเลนส์ทางแสง ทัศนศาสตร์เชิงเรขาคณิต ถูกนำมาใช้ในการออกแบบเสาอากาศเลนส์ และรูปทรงต่างๆ ของเลนส์ที่ใช้ในทัศนศาสตร์ทั่วไปก็มีลักษณะที่คล้ายคลึงกันในเลนส์ไมโครเวฟ

เสาอากาศเลนส์มีความคล้ายคลึงกับเสาอากาศพาราโบลาและใช้ในแอปพลิเคชันที่คล้ายกัน ในทั้งสองแบบ ไมโครเวฟที่ปล่อยออกมาจากเสาอากาศป้อนขนาดเล็กจะถูกปรับรูปร่างโดยพื้นผิวออปติกขนาดใหญ่ให้เป็นรูปร่างลำแสงสุดท้ายที่ต้องการ^{[ 4 ]} เสาอากาศเลนส์ถูกใช้งานน้อยกว่าเสาอากาศพาราโบลาเนื่องจากความคลาดเคลื่อนของสีและการดูดซับพลังงานไมโครเวฟโดยวัสดุเลนส์ น้ำหนักและขนาดที่มากกว่า และการผลิตและการติดตั้งที่ยาก^{[ 3 ]} เสาอากาศ เลนส์ถูกใช้เป็นองค์ประกอบในการปรับลำแสงในระบบไมโครเวฟที่มีอัตราขยายสูง เช่นเสาอากาศดาวเทียมกล้องโทรทัศน์วิทยุและเรดาร์คลื่นมิลลิเมตร และติดตั้งในช่องเปิดของเสาอากาศฮอร์นเพื่อเพิ่มอัตราขยาย

เลนส์ไมโครเวฟสามารถจำแนกได้เป็นสองประเภทตามความเร็วในการแพร่กระจายของคลื่นวิทยุในวัสดุเลนส์: ^{[ 2 ]}

• เลนส์หน่วงเวลา (เลนส์คลื่นช้า) : ในเลนส์ชนิดนี้ คลื่นวิทยุจะเดินทางช้าลงในตัวกลางเลนส์มากกว่าในพื้นที่ว่างดัชนีหักเหมีค่ามากกว่าหนึ่ง ดังนั้นระยะทางในการเดินทางจึงเพิ่มขึ้นเมื่อผ่านตัวกลางเลนส์ หลักการทำงานนี้คล้ายกับเลนส์แสงทั่วไป เนื่องจากส่วนที่หนาขึ้นของเลนส์จะเพิ่มระยะทางในการเดินทาง เลนส์นูนจึงเป็น เลนส์รวมแสงที่รวมคลื่นวิทยุ และเลนส์เว้าเป็นเลนส์กระจายแสงที่กระจายคลื่นวิทยุ เช่นเดียวกับเลนส์ทั่วไป เลนส์หน่วงเวลาถูกสร้างขึ้นจาก...

• วัสดุไดอิเล็กทริก
• โครงสร้างแผ่นระนาบ H

• เลนส์เร็ว (เลนส์คลื่นเร็ว) : ในเลนส์ประเภทนี้ คลื่นวิทยุเดินทางเร็วกว่าในตัวกลางเลนส์มากกว่าในพื้นที่ว่าง ดังนั้นดัชนีหักเหจึงน้อยกว่าหนึ่ง ทำให้ ความยาว เส้นทางแสงลดลงเมื่อผ่านตัวกลางเลนส์ เลนส์ประเภทนี้ไม่มีในวัสดุทางแสงทั่วไป เกิดขึ้นเนื่องจากความเร็วเฟสของคลื่นวิทยุในท่อนำคลื่นอาจมากกว่าความเร็วแสงเนื่องจากส่วนที่หนาขึ้นของเลนส์จะลดความยาวเส้นทาง เลนส์เว้าจึงเป็นเลนส์รวมแสงที่โฟกัสคลื่นวิทยุ และเลนส์นูนเป็นเลนส์กระจายแสง ซึ่งตรงกันข้ามกับเลนส์ทางแสงทั่วไป เลนส์เร็วสร้างขึ้นจาก

• โครงสร้างแผ่นระนาบ E
• เมตาวัสดุที่มีดัชนีหักเหเป็นลบ

ประเภทหลักของการสร้างเลนส์ ได้แก่: ^{[ 5 ] [ 6 ]}

• เลนส์ไดอิเล็กทริกธรรมชาติ - เลนส์ที่ทำจาก วัสดุ ไดอิเล็กทริกเนื่องจากความยาวคลื่นที่ยาวกว่า เลนส์ไมโครเวฟจึงมีค่าความคลาดเคลื่อนของรูปทรงพื้นผิวมากกว่าเลนส์แบบออปติคอล วัสดุเทอร์โมพลาสติกอ่อนเช่นโพลีสไตรีนโพลีเอทิลีนและเพล็กซิกลาส มักถูกนำมาใช้ ซึ่งสามารถขึ้นรูปหรือกลึงให้เป็นรูปทรงที่ต้องการได้ วัสดุไดอิเล็กทริกส่วนใหญ่มีการลดทอนและ การกระจายตัวอย่างมากที่ความถี่ไมโครเวฟ
• เลนส์ไดอิเล็กทริกเทียม - อุปกรณ์นี้จำลองคุณสมบัติของวัสดุไดอิเล็กทริกที่ความยาวคลื่นไมโครเวฟ โดยใช้ตัวนำโลหะขนาดเล็กเรียงตัวเป็นสามมิติ เช่น ทรงกลม แถบ แผ่นกลม หรือวงแหวน ที่แขวนอยู่ในตัวกลางที่ไม่นำไฟฟ้า

• เลนส์จำกัดทิศทาง - เลนส์ที่ประกอบด้วยแผ่นโลหะ ท่อ หรือโครงสร้างอื่นๆ ที่ควบคุมทิศทางของคลื่นไมโครเวฟ ใช้กับคลื่นไมโครเวฟที่มีการโพลาไรซ์เชิงเส้น

• เลนส์แผ่นโลหะระนาบ E - เลนส์ที่ทำจากแผ่นโลหะที่วางเรียงชิดกันขนานกับระนาบของสนามไฟฟ้าหรือสนาม Eเลนส์ชนิดนี้มีความเร็วสูง
• เลนส์แผ่นโลหะระนาบ H - เลนส์ที่ทำจากแผ่นโลหะที่วางเรียงชิดกันขนานกับระนาบของสนามแม่เหล็กหรือสนาม Hนี่คือเลนส์หน่วงเวลา
• เลนส์นำคลื่น - เลนส์ที่ทำจากท่อนำคลื่นขนาดสั้นที่มีความยาวแตกต่างกัน

• เลนส์โซนเฟรสเนล -แผ่นโซนเฟรสเนลประกอบด้วยแผ่นโลหะวงแหวนซ้อนกันหลายชั้น ปิดกั้นโซนเฟรสเนลสามารถผลิตได้ง่ายโดยใช้แผ่นฟอยล์ทองแดงรูปทรงต่างๆ บนแผ่นวงจรพิมพ์เลนส์นี้ทำงานโดยการเลี้ยวเบนไม่ใช่การหักเห คลื่นไมโครเวฟที่ผ่านช่องว่างระหว่างแผ่นจะเกิดการแทรกสอดแบบเสริมกันที่ระนาบโฟกัส มีความคลาดเคลื่อนสีดังนั้นจึงใช้งานได้เฉพาะความถี่เท่านั้น
• เลนส์ลูเนเบิร์ก - เลนส์ไดอิเล็กทริกทรงกลมที่มีดัชนีหักเหแบบขั้นบันไดหรือไล่ระดับเพิ่มขึ้นไปทางศูนย์กลาง ^{[ 7 ]} เสาอากาศเลนส์ลูเนเบิร์กมีคุณสมบัติเฉพาะหลายประการ ได้แก่จุดโฟกัสและเสาอากาศป้อนสัญญาณอยู่ที่พื้นผิวของเลนส์ ทำให้โฟกัสรังสีทั้งหมดจากเสาอากาศป้อนสัญญาณในมุมกว้าง สามารถใช้กับเสาอากาศป้อนสัญญาณหลายตัวเพื่อสร้างลำแสงหลายลำ

เลนส์แบบแบ่งโซน - เลนส์ไมโครเวฟ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเลนส์ที่มีความยาวคลื่นสั้น มักจะมีความหนามากเกินไป ซึ่งทำให้มีน้ำหนัก ขนาด และการสูญเสียพลังงานในเลนส์ไดอิเล็กทริกเพิ่มขึ้น เพื่อลดความหนา เลนส์มักจะถูกสร้างขึ้นด้วย รูปทรง แบบแบ่งโซนคล้ายกับเลนส์เฟรสเนลเลนส์จะถูกตัดให้มีความหนาสม่ำเสมอเป็นขั้นๆ รูปวงแหวน (วงกลม) โดยรักษามุมพื้นผิวให้คงที่^{[ 8 ] [ 9 ]} เพื่อให้คลื่นไมโครเวฟผ่านขั้นต่างๆ ในเฟสเดียวกัน ความแตกต่างของความสูงระหว่างขั้นจะต้องเป็นผลคูณจำนวนเต็มของความยาวคลื่น ด้วยเหตุนี้ เลนส์แบบแบ่งโซนจึงต้องถูกสร้างขึ้นสำหรับความถี่เฉพาะ

เสาอากาศรับสัญญาณคลื่นมิลลิเมตรแบบเลนส์ของโบสจากสิทธิบัตรปี 1901 ของเขา^{[ 10 ]} รุ่นนี้ถูกสร้างขึ้นโดยเจตนาให้มีลักษณะและการทำงานเหมือนดวงตาของมนุษย์ โดยมีเลนส์แก้วที่โฟกัสคลื่นมิลลิเมตรบนตัวตรวจจับจุดสัมผัสกาเลนา

การทดลองสาธิตการหักเหของคลื่นไมโครเวฟ 1.5 GHz (20 ซม.) โดยเลนส์พาราฟิน โดยจอห์น แอมโบรส เฟลมมิงในปี 1897 ซึ่งเป็นการทดลองซ้ำจากการทดลองก่อนหน้านี้ของโบส ลอดจ์ และริกิเครื่องส่งสัญญาณแบบช่องว่างประกายไฟ ( A ) ประกอบด้วยเสาอากาศไดโพลที่ทำจากแท่งทองเหลืองสองแท่งโดยมีช่องว่างประกายไฟอยู่ระหว่างกันภายในท่อคลื่นแบบเปิด ขับเคลื่อนด้วยขดลวดเหนี่ยวนำ ( I ) สร้างลำแสงไมโครเวฟซึ่งถูกโฟกัสโดยเลนส์พาราฟินทรงกระบอก ( L ) ไปยังเสาอากาศรับสัญญาณไดโพลในท่อคลื่นด้านซ้าย ( B ) และตรวจจับโดยเครื่องรับวิทยุแบบโคเฮเรอร์ (ไม่แสดงในภาพ) ซึ่งจะส่งเสียงกริ่งทุกครั้งที่เครื่องส่งสัญญาณทำงาน เฟลมมิงได้สาธิตให้เห็นว่าเลนส์สามารถโฟกัสคลื่นได้จริง โดยแสดงให้เห็นว่าเมื่อนำเลนส์ออกจากอุปกรณ์ คลื่นที่ไม่โฟกัสจากเครื่องส่งสัญญาณนั้นอ่อนเกินไปที่จะกระตุ้นเครื่องรับได้

การทดลองครั้งแรกที่ใช้เลนส์ในการหักเหและรวมคลื่นวิทยุเกิดขึ้นในช่วงการวิจัยคลื่นวิทยุยุคแรกในทศวรรษ 1890 ในปี 1873 เจมส์ คลาร์ก แม็กซ์เวลล์ นักฟิสิกส์คณิตศาสตร์ ได้ทำนายการมีอยู่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าของเขา ซึ่งปัจจุบันเรียกว่าสมการของแม็กซ์เวลล์และเสนอว่าแสงประกอบด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่น สั้นมาก ในปี 1887 ไฮน์ริช เฮิรตซ์ค้นพบคลื่นวิทยุ ซึ่งเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นยาวกว่า นักวิทยาศาสตร์ยุคแรกคิดว่าคลื่นวิทยุเป็นรูปแบบหนึ่งของ "แสงที่มองไม่เห็น" เพื่อทดสอบทฤษฎีของแม็กซ์เวลล์ที่ว่าแสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า นักวิจัยเหล่านี้จึงมุ่งเน้นไปที่การจำลอง การทดลอง ทางทัศนศาสตร์ แบบคลาสสิก ด้วยคลื่นวิทยุความยาวคลื่นสั้น โดยการเลี้ยวเบนด้วยตะแกรงเลี้ยวเบน แบบลวด และการหักเหด้วยปริซึมและเลนส์ไดอิเล็กทริกที่ทำจากพาราฟินน้ำมันดินและกำมะถันเฮิรตซ์ ได้สาธิต การหักเห ของคลื่นวิทยุ 450 เมกะเฮิร์ตซ์ (66 ซม.) เป็นครั้งแรกในปี 1887 โดยใช้ปริซึมขนาด 6 ฟุตที่ทำจากน้ำมันดิน การทดลองเหล่านี้และอื่นๆ ยืนยันว่าทั้งแสงและคลื่นวิทยุต่างก็ประกอบด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าตามที่แม็กซ์เวลล์ได้ทำนายไว้ โดยแตกต่างกันเพียงแค่ความถี่เท่านั้น

ความเป็นไปได้ในการรวมคลื่นวิทยุโดยการโฟกัสให้เป็นลำแสงเหมือนคลื่นแสงดึงดูดความสนใจของนักวิจัยหลายคนในสมัยนั้น^{[ 11 ]} ในปี พ.ศ. 2432 Oliver Lodgeและ James L. Howard พยายามหักเหคลื่น 300 MHz (1 เมตร) ด้วยเลนส์ทรงกระบอกที่ทำจากน้ำมันดิน แต่ไม่พบผลการโฟกัสเนื่องจากอุปกรณ์มีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่น ในปี พ.ศ. 2437 Lodge ประสบความสำเร็จในการโฟกัส คลื่นไมโครเวฟ 4 GHz (7.5 ซม.) ด้วยเลนส์แก้วขนาด 23 ซม. ^{[ 12 ]} เริ่มต้นในปีเดียวกัน นักฟิสิกส์ชาวอินเดียJagadish Chandra Boseในการทดลองไมโครเวฟ ครั้งสำคัญของเขาที่ความถี่ 6–60 GHz (50–5 มม.) อาจเป็นคนแรกที่สร้างเสาอากาศเลนส์ โดยใช้เลนส์กำมะถันทรงกระบอกขนาด 2.5 ซม. ใน ท่อนำคลื่นเพื่อรวมลำแสงไมโครเวฟจากออสซิลเลเตอร์ประกายไฟ ของเขา [ ^{13 ]}และจดสิทธิบัตรเสาอากาศรับสัญญาณที่ประกอบด้วยเลนส์แก้วที่โฟกัสไมโครเวฟบนตัวตรวจจับผลึก กา เลนา^{[ 10 ]} นอกจากนี้ ในปี 1894 ^Augusto Righiในการทดลองไมโครเวฟของเขาที่มหาวิทยาลัยโบโลญญาได้โฟกัสคลื่น 12 GHz (2.5 ซม.) ด้วยเลนส์พาราฟินและกำมะถัน ขนาด 32 ซม .

อย่างไรก็ตาม คลื่นไมโครเวฟมีข้อจำกัดในการแพร่กระจายเฉพาะในแนวสายตาและไม่สามารถเดินทางไกลเกินขอบฟ้าได้ และเครื่องส่งสัญญาณไมโครเวฟแบบประกาย ไฟกำลังต่ำ ที่ใช้กันนั้นมีระยะทำการสั้นมาก ดังนั้นการพัฒนาวิทยุในทางปฏิบัติหลังปี 1897 จึงใช้ความถี่ที่ต่ำกว่ามาก ซึ่งเสาอากาศแบบเลนส์ไม่เหมาะสมกับความถี่ดังกล่าว

การพัฒนาเสาอากาศเลนส์สมัยใหม่เกิดขึ้นในช่วงที่มีการขยายตัวอย่างมากของการวิจัยเทคโนโลยีไมโครเวฟในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 2 เพื่อพัฒนาระบบเรดาร์ ทางทหาร ในปี 1946 RK Luneburgได้ประดิษฐ์เลนส์ Luneburg ขึ้น มา