在振子或喇叭形輻射器前裝有透鏡，從而使輻射能量集中成窄的射束的微波天線（見圖）。透鏡是一種能通過電磁波而其折射係數不等於1的三維結構。點源或線源發出的球面波或柱面波經過透鏡可以變換成平面波，從而得到筆形或扇形波束。透鏡的折射係數可能是位置的函數，透鏡的形狀決定其口面場分佈。
透鏡可以用折射系數n大於1的自然介質制成，也可以是由金屬柵網或金屬片等組成的人工介質結構（n＞1或n＜1）。n＝c/vϕ(式中c為光速；vϕ為介質中的相速)，n大於1的透鏡稱為減速透鏡，n小於1的透鏡稱為加速透鏡。當透鏡正反兩面都是折射面時，則稱為雙面透鏡，當隻有照射面是折射面時，則稱為單面透鏡。
由光學引入的透鏡，因其原理概念清楚，一些新型天線（如單脈沖雷達天線）在發展的初期常用透鏡作為闡述工作原理的模型，但透鏡的固有缺點是笨重、介質老化和界面反射會引入損耗等，因而，實用的透鏡天線很少。例如龍伯球透鏡的折射系數按
變化，式中
a為球的半徑；
r為球內任一點離球心的距離。當平面波入射透鏡上時，經透鏡而被聚焦到與此平面波前垂直的直徑的另一端。因此，在這一點放置一饋源就能在球天線口面上形成平面波。隻要在球面上移動饋源就能使波束作360°掃描。龍伯透鏡由於制造困難，除加一反射帽用作目標外，實用甚少。
能把輸入場分佈變為所需場分佈的結構，也被稱作透鏡。例如輸入面與輸出面分別由數目相等的輻射單元組成的陣列，對應單元用傳輸線連接。各傳輸線的長度按輸出口面場分佈要求來確定。也可在各傳輸線中接入移相器，從而得到相控掃描。再如把 E面扇形喇叭中部的 H面尺寸做成有些上凸使得扇形中間這部分波的相速變慢，從而在口面同相。這種空氣透鏡在第二次世界大戰時曾用於機械電掃描的福斯特掃描器上，目前仍在使用。
透鏡天線的方向圖和阻抗等頻帶特性，除與饋源特性、透鏡形狀等有關外，還與透鏡折射系數n的頻率響應有關。在減速透鏡中，波長λ的變化對折射系數n影響很小，但在加速透鏡（金屬板透鏡）中，n與λ 的關系密切(
)，因而頻帶較窄，隻有百分之幾。由TEM傳輸線組成的透鏡中，
n與頻率無關，頻帶由其他因素決定。