龙勃透镜及其实现的多波束天线设计

关键词：龙勃透镜，多波束天线

龙勃透镜也叫龙伯透镜，英文Luneburg lens，提到透镜人们往往想起凸透镜或凹透镜，凸透镜和凹透镜对光线有汇聚或发散的作用，既然透镜对光有汇聚的作用，那么是否存在一种透镜能对电磁波起到汇聚作用？这样能把微弱的电磁信号放大。

答案是肯定的，鲁道夫·卡尔·卢纳伯格（Rudolf Karl Lüneburg）很早之前就提出了一种透镜方法，如图1所示，可以把平行入射的电磁波汇聚到一点，经过业界多年研究和发展，目前该透镜已逐步成熟并且在一些行业中已得到广泛应用，这就是龙勃透镜。

图1，龙勃透镜聚焦原理

1，龙勃透镜的优点

能汇聚电磁波的其实不只龙勃透镜一种，任何增益大于0dBi的天线都对电磁波有汇聚作用，那为什么还要费尽心思研究这种透镜呢？

德国哲学家黑格尔说过“存在即合理”我想用在这里也是合适的，既然无数人投入到龙勃透镜研究中，龙勃透镜肯定有其独特优势的，目前龙勃透镜相比于传统天线大致有如下两点优势：

1.1、传统天线增益大小与天线阵子数量有关，即增益越高天线阵子数量越多（组阵后面积也越大），对应的功分网络越复杂导致网络损耗越大，增益做到一定极限时无法继续提升。

龙勃透镜天线增益大小只与天线横截面积有关，不需要复杂的馈电网络，其次透镜介质损耗可以很低，相同的天线口径往往龙勃透镜具有更高的天线增益。

1.2、随着通信行业对高带宽要求越来越高，频谱资源越来越紧张，各种技术层出不穷频谱效率已基本接近香农理论极限，提升频谱效率越发困难，为了提高覆盖区域内通信带宽多波束应运而生。

传统的多波束天线是采用巴特勒矩阵馈电网络加天线阵列实现，巴特勒矩阵馈电网络非常复杂且损耗较大，而龙勃透镜由于对称性做多波束天线具有与生俱来的优势，且不需要复杂的馈电网络，只需要多个馈源依次排开即可实现多波束，相较于传统多波束天线而言具有设计简单，增益较高，且波束之间相互影响较小。

以上两点优势足以让龙勃透镜天线在激烈的天线行业占据一席之地。

2，仿真案例

2.1：单波束龙勃透镜天线

按照龙勃透镜原理建立一个直径为150mm的一个球型透镜，如图2中蓝色球体，馈源天线置于透镜一端，辐射方向朝向透镜一侧接收经过透镜聚焦后的电磁波，经过透镜聚焦后天线增益见图3，增益达到18dBi。

图2，龙勃透镜天线模型

图3龙勃透镜天线3D方向图

图4龙勃透镜天线2D方向图

2.2多波束龙勃透镜天线

图5，三波束龙勃透镜天线

图6，三波束龙勃透镜天线2D方向图

以上可以三个波束间隔30度指向不同方向，把一个约60°扇区分成三个波束可以近似提高三倍的通信容量。

图7，天线空间电场强度分布

可以看出天线前方电磁场几乎按照平面电磁波向前方传输。

图7，天线空间电场矢量方向分布

可以看出天线前方的电场方向几乎是指向水平方向交变变化。

以上两图符合真实电磁波传播现象。