關(guān)于龍勃透鏡天線，看這一篇就夠了！

節(jié)選自中科院物理所2020-03-23 11:12

龍勃透鏡，也叫龍伯透鏡或倫伯透鏡，英文名Luneburg lens。這種透鏡的模型，最早是1944年由美國數(shù)學(xué)家魯?shù)婪?/span>·卡爾·盧納伯格（Rudolf Karl Lüneburg）提出的。龍勃，也就是盧納伯格。

盧納伯格1903年生于德國，在哥廷根（Gttingen）獲得博士學(xué)位，1935年移居德國，擅長數(shù)學(xué)和光學(xué)。他的著作《Mathematical Theory of Optics（光學(xué)的數(shù)學(xué)理論）》在學(xué)術(shù)界占有一席之地。

龍勃透鏡是透鏡的一種。說到透鏡，大家應(yīng)該比較熟悉，例如凸透鏡、凹透鏡，可以對光線進(jìn)行匯聚和發(fā)散。

龍勃透鏡比較特殊，它是一個完整球形的透鏡，如下圖所示：

龍勃透鏡

它可以將入射的特定波長的電磁波匯聚，匯聚到球面上的某一個點(diǎn)。同樣的，它也可以將電磁波沿著原方向反射回去。

入射與反射

大家會發(fā)現(xiàn)，電磁波（光線）在球體中發(fā)生了“拐彎”的現(xiàn)象。

是的，如果球體是均勻的同類介質(zhì)，里面的電磁波（光線）是不可能“拐彎”的。龍勃透鏡模型的一個重要前提，就是球體從外到內(nèi)材料的介電常數(shù)是梯度變化的。

看不懂？別慌！簡單理解，它就像一個洋蔥結(jié)構(gòu)，從外到內(nèi)，是一層一層的。每層材料的折射率不一樣，從而導(dǎo)致了電磁波（光線）的拐彎。

洋蔥結(jié)構(gòu)（層數(shù)越多，效果越理想）

在自然界中并不存在這樣的天然材料。在1944年，以當(dāng)時的材料和工藝水平，也造不出完美的透鏡實(shí)物。

但是，龍勃透鏡很有用。為什么有用？因?yàn)辇埐�透鏡可以讓任何方向入射的電磁波，都會匯聚到球面上的某一個點(diǎn)上。

這適合什么用途？對，天線。

只要在球體表面放上饋源，就可以產(chǎn)生很好的增益效果。讓信號朝指定的方向輻射，也可以接收指定方向過來的信號。

龍勃透鏡天線的輻射效果演示

進(jìn)入50年代之后，越來越多的學(xué)者參與到對龍勃透鏡的研究之中。1958年，G.Peeler等人搞出了幾種龍勃透鏡天線的分層方法，并設(shè)計出了一些二維和三維的龍勃透鏡天線模型，算是比較突出的成果。但是，還是因?yàn)椴牧虾凸に嚨脑�因，相關(guān)研究無法取得更大的進(jìn)展，逐漸陷入停滯。

60年代的時候，美國人曾經(jīng)嘗試將龍勃透鏡引入軍用領(lǐng)域。當(dāng)時，美國研發(fā)宙斯盾系統(tǒng)遇到瓶頸，于是，搞了一個“提豐”艦空導(dǎo)彈計劃。計劃里面的SPG-59雷達(dá)，就是基于龍勃透鏡的原理。

SPG-59結(jié)構(gòu)及實(shí)物

不過，雷達(dá)造出來之后并沒有達(dá)到理想的效果，天線增益太低，探測能力太弱，最終也是無疾而終。

SPG-59雷達(dá)內(nèi)部的復(fù)雜饋源陣列和導(dǎo)線

進(jìn)入90年代，隨著材料和加工制造工藝水平的成熟，人們重新開始啟動對龍勃透鏡的研究。這一期間，不管是理論研究，還是實(shí)物制造，都有了不少突破。值得一提的是瑞典學(xué)者John R.Sanford。他在94-95年發(fā)表了多篇文章，對龍勃透鏡天線理論的發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。

進(jìn)入21世紀(jì)之后，陸續(xù)有學(xué)者造出了性能良好的天線原型。產(chǎn)業(yè)界方面，也開始有了實(shí)用型產(chǎn)品問世。2004年，日本JSAT株式會社與住友電氣工業(yè)株式會社聯(lián)合推出了“Lune-Q”新型龍勃透鏡天線系列。該天線系列主要用于衛(wèi)星通信，可以接收多個衛(wèi)星信號。

相比傳統(tǒng)拋物面衛(wèi)星天線，龍勃透鏡天線具有良好的耐風(fēng)性能。

后來，住友電氣又把龍勃透鏡天線用在測風(fēng)雷達(dá)上。

測風(fēng)雷達(dá)天線

法國也曾經(jīng)嘗試在高速列車上安裝龍勃透鏡天線，以接收衛(wèi)星電視信號。澳大利亞還開建了一個占地一平方公里的射電天文龍勃透鏡天線陣列（SKA），用到了2000多個透鏡單元，非常壯觀。

SKA陣列（2008年開建，2018年完工）

再之后，龍勃透鏡天線的發(fā)展出現(xiàn)了三個重要的機(jī)遇。

第一個，是3D打印技術(shù)的不斷成熟。3D打印，更好地解決了透鏡天線制造工藝的問題，也大幅降低了成本。這相當(dāng)于拉低了透鏡天線的制造門檻。

3D打印的龍勃透鏡天線

第二個，是軍用隱身技術(shù)的快速發(fā)展。進(jìn)入21世紀(jì)之后，世界列強(qiáng)大力發(fā)展五代戰(zhàn)斗機(jī)，還有各種隱身戰(zhàn)艦，非常強(qiáng)調(diào)隱身性能。由于龍勃透鏡對平面波束的聚焦特性，當(dāng)雷達(dá)波通過該透鏡時，透鏡的雷達(dá)反射截面積比其物理截面要大很多。因此，龍勃透鏡被廣泛用于制造雷達(dá)反射器，用于提高武器自身雷達(dá)反射截面積。

例如，我們國家最先進(jìn)的隱身飛機(jī)殲-20，就會掛載龍勃透鏡。如果不掛，連自己的雷達(dá)都發(fā)現(xiàn)不了，無法進(jìn)行有效指引。

殲20掛載的龍勃透鏡

龍勃透鏡

第三個，是毫米波技術(shù)的快速發(fā)展。毫米波通信需要天線有更高的增益，更好的波束能力，而龍勃透鏡天線非常擅長。借此機(jī)遇，龍勃透鏡天線開始逐漸在移動通信領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。

2015年，美國運(yùn)營商AT&T在芝加哥的一次音樂節(jié)上，使用了一種名為“Giant Eyeball（大眼球）”的新型天線，就是一種龍勃透鏡天線。據(jù)說該天線效果顯著，可以提供比傳統(tǒng)單波天線多10倍的容量。

Giant Eyeball（大眼球）

2018年，美國的科技初創(chuàng)公司Lunewave宣布自己完成了500萬美金的種子輪融資。這家公司就是利用3D打印技術(shù)，制造基于龍勃透鏡技術(shù)的車載雷達(dá)傳感器。

他們制造的傳感器，號稱具有360°視野，即使在遠(yuǎn)距離和惡劣天氣下，也可以實(shí)現(xiàn)車輛周圍環(huán)境的高分辨率探測。

Lunewave使用3D打印制成的龍勃透鏡 (圖片來源：Lunewave)

國內(nèi)在龍勃透鏡天線商業(yè)化方面也有突破。2017年，蘇州海天新天線科技股份有限公司研制成功了一款“龍伯球天線”，并于2019年亮相上海MWC，吸引了廣泛關(guān)注。

“龍伯球天線”（發(fā)明人是肖良勇教授，命名為“肖氏天線”）

(圖片來源：通信世界網(wǎng))

該產(chǎn)品發(fā)明人肖良勇教授介紹，龍伯球支持超寬頻率范圍，可廣泛應(yīng)用于大規(guī)模應(yīng)急通信保障、Wi-Fi高密度覆蓋、4G網(wǎng)絡(luò)大容量擴(kuò)容改造及5G移動通信大容量、高速率數(shù)據(jù)傳輸場景。其超輕特性在高增益雷達(dá)、航天、航空、天文射電觀測等無線通信與信息化建設(shè)領(lǐng)域具有潛在開發(fā)前景。

肖良勇教授

除了上述公司之外，國內(nèi)還有多個團(tuán)隊在進(jìn)行龍勃透鏡天線方面的研究，也積累了不少專利。國內(nèi)的多所高校，包括電子科大、東南大學(xué)等，也在龍勃透鏡天線方面輸出了不少成果。

既然是天線黑科技，作為運(yùn)營商來說，當(dāng)然是不會放過的。國內(nèi)三大運(yùn)營商一直對龍勃透鏡天線保持著極大的關(guān)注，也有所動作。

2018年，中移動就在陜西咸陽的高鐵渭河鐵路橋上，進(jìn)行了龍勃透鏡天線的測試。根據(jù)透露出來的數(shù)據(jù)顯示，覆蓋效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于普通天線。

此后，中移動還在河南汴梁等地進(jìn)行了類似的測試。再后來，在一些演唱會等重大保障場合，中移動也進(jìn)行了龍勃透鏡天線的測試，取得了不錯的效果。

2019年4月，在陜西黃陵的軒轅黃帝公祭典禮上，陜西聯(lián)通進(jìn)行了5G直播和通信保障，據(jù)說也采用了龍勃透鏡5G天線。

龍勃天線真正引起通信行業(yè)的廣泛關(guān)注，是源于去年網(wǎng)上流傳的一篇文章（作者鐵流，公號已被刪，可以百度搜“技術(shù)革新，新型5G天線”，還能看到一些轉(zhuǎn)載）。文章聲稱，龍勃透鏡天線可以顯著增加5G天線的覆蓋范圍，從而大幅降低5G建設(shè)成本。后來很多媒體炒作，就變成了“無龍勃，不5G”。也就是說，他們認(rèn)為5G時代將是龍勃透鏡天線一統(tǒng)江湖。

不可否認(rèn)，無論從理論上還是試驗(yàn)上，龍勃透鏡5G天線都有非常優(yōu)異的表現(xiàn)——和傳統(tǒng)5G天線相比，龍勃透鏡5G天線更適合多波束，輻射單元更少，饋電網(wǎng)絡(luò)更簡單，可靠性更高，用電更少，功耗更低，甚至重量也更輕。

但是，想要短時間內(nèi)使用龍勃透鏡天線全面取代傳統(tǒng)天線，這是不可能的。

現(xiàn)在5G大規(guī)模建設(shè)已經(jīng)啟動，大家可以看到，并沒有采用龍勃透鏡天線。主要原因還是龍勃透鏡天線的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)成熟度問題。

從材料、工藝各方面來看，龍勃透鏡天線都還沒有到大規(guī)模低成本生產(chǎn)制造的程度。對于5G這樣的全國型通信基礎(chǔ)設(shè)施，沒有產(chǎn)業(yè)鏈支撐的技術(shù)和產(chǎn)品，是不可能被輕易采用的。

而且，龍勃透鏡天線屬于專利技術(shù)，只有少部分廠商掌握。在這種情況下，運(yùn)營商是不可能貿(mào)然All in的，很容易受制于人。

所以，像前面所說，中國移動暫時還是在應(yīng)急保障等特殊場合進(jìn)行龍勃透鏡天線的測試，密切觀望其后續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

如果龍勃透鏡天線能夠在5G毫米波網(wǎng)絡(luò)建設(shè)全面啟動之前（目前國內(nèi)主要是建設(shè)Sub6頻段的5G），徹底完成產(chǎn)業(yè)化，具有很完善的產(chǎn)業(yè)體系，那么，它才有可能在未來的5G市場中占據(jù)一席之地。如果它做不到，不好意思，只能等6G了。

好了，關(guān)于龍勃透鏡天線的介紹，就到這里。感謝大家的耐心觀看，我們下期再見！

參考文獻(xiàn)：

1、《多波束龍伯透鏡天線技術(shù)研究》，劉璟

2、《Lunewave龍勃透鏡毫米波雷達(dá)成自動駕駛汽車“雙眼”》，胡薇

3、《Lunewave發(fā)明3D打印龍勃透鏡，專攻自動駕駛市場》，DeepTech深科技

4、《60GHz空氣介質(zhì)龍伯透鏡天線的研究》，劉唯

5、《分層龍伯透鏡天線技術(shù)分析》，鐘鳴海

6、《龍伯球天線助力5G發(fā)展，黑科技驚艷世移會》，通信世界網(wǎng)