龙伯透镜在军事电子领域中的发展与应用

冉华英 谢琪 李高英 王政理 邓俊

摘  要：龙伯透镜具有高增益、宽频带、宽角范围和多波束扫描的特点，在现代军事电子领域中，表现出巨大的性能优势及工程潜力。通过研究龙伯透镜国内外应用情况，以龙伯透镜的基本原理以及实现方式为基础，报告了龙伯透镜在卫星通信领域、电子对抗领域和军事跟踪系统中的应用背景、性能优势及应用实例。最后，从传统球形龙伯透镜天线的改进优化、大口径高增益龙伯透镜天线的研制和新型龙伯透镜天线的研制三个方面提出了龙伯透镜未来的三个发展方向。

关键词：龙伯透镜;卫星通信;电子对抗;军事跟踪

Abstract：With the characteristics of high gain，wide frequency band，wide angle range and multi beam scanning，Luneberg lens shows great performance advantages and engineering potential in modern military electronic field. Based on the research of the application of Luneberg lens at home and abroad，the application background，performance advantages and application examples of Luneberg lens in the field of satellite communication，electronic countermeasures and military tracking system are reported based on the basic working principle and implementation. Finally，the future development directions are proposed from three aspects：the improvement and optimization of traditional spherical Luneberg lens antenna，the development of large aperture and high gain Luneberg lens antenna，and the development of new type Luneberg lens antenna.

Keywords：Luneberg lens;satellite communication;electronic countermeasures;military tracking

0  引  言

龙伯透镜是一种由非均匀介质材料构成的洋葱状中心对称球体，其介电常数从透镜中心（ε=2）向透镜表面（ε=1）逐渐递减。这种介电常数分布使得龙伯透镜具有良好的聚焦特性，能将各方向入射的电磁波汇聚到透镜表面焦点，同时也可以将焦点处发出的电磁波转换为平面波，实现多波束通信，满足一线多星的需求。此外，龙伯透镜具有良好的天线性能参数，如高增益、低副瓣，以及高反射效率、宽频带和宽角度响应等特性。在结构形式方面龙伯透镜本身也具备较多的可变参量，如折射面、折射率和几何尺寸等。这些性能特点使得龙伯透镜在复杂的实际工程应用中具有独特的优势，在卫星通信、导航、雷达抗干扰技术等领域具有广泛的应用前景。然而，龙伯透镜在军事领域中的应用在欧美国家报道较多，国内相关报道较少。在工程化应用方面，龙伯透镜也存在一定的加工生产难题。因此，本文介绍了龙伯透镜目前的几种实现方式，报告了龙伯透镜在军事领域中的应用，并对龙伯透镜的研制方向做了总结，为后续对龙伯透镜的进一步研究和实际生产做铺垫。

1  龙伯透镜的實现

1.1  龙伯透镜工作原理

如图1所示，电磁波由透镜焦点处即馈源发出后在透镜内部沿椭圆的四分之一边路径传播，于口径面处球面的电磁波转换为等相位的平面电磁波，形成高定向辐射波束。基于光的可逆性原理，入射的平面电磁波经龙伯透镜汇聚后聚焦于透镜焦点。

从式（1）可以得出，透镜中心的介电常数为2，表面的介电常数为1，介电常数从透镜中心向透镜表面渐变减小，且介电常数的分布具有球面的高度对称性。基于以上工作原理，龙伯透镜天线在多波束天线和波束扫描天线应用中具有明显的优势[1]。此外，龙伯透镜表面一定距离处的任意一点均可视为焦点，在焦点处放置多馈源，通过移动馈源便可实现全向空间的多波束扫描。由于球面的对称性，每个波束具有相同的辐射特性。龙伯透镜介电常数的分布属其固有性质，基本不随频率改变，与几何光学的等光程法则相匹配，因此龙伯透镜的工作带宽取决于所照射馈源的带宽，利用多个馈源龙伯透镜天线就可实现超宽带特性。

1.2  龙伯透镜的实现

1944年，R.K.Luneberg[2]基于几何光学提出龙伯透镜的概念，距今已有70余年的发展历史，但由于可利用的低损耗高介电有机材料种类甚少和透镜制作工艺不成熟的原因，龙伯透镜天线的发展和实际应用在一段时间内受到限制。直到上世纪70年代末，美国才首次将龙伯透镜天线应用于实际工程[3]。进入90年代后，随着现代材料制造技术的成熟和理论研究的突破，龙伯透镜的发展取得了长足的进步。

目前，还没有可靠的技术能够制作出介电常数连续变化的材料，因此在实际设计中常采用分层制造思想，利用具有洋葱状结构的球壳来逼近连续渐变的理想介电常数。比利时的爱玛森康明公司[4]和日本住友电气工业株式会社[5]将聚苯乙烯珠粒和发泡剂在特制模具内于高温下发泡成型，通过调节每层球壳内珠粒的表观密度来实现龙伯透镜天线所需的介电常数。Mosallaei H[6]指出，两层同心球壳即可实现龙伯透镜天线所需的介电常数分布。利用热发泡技术制备龙伯透镜虽然成本较低，但该方法对材料的介电常数要求较高，且在模具成型过程中珠粒的发泡过程及一致性较难控制，使得介电常数的精度及均匀性难以保证，且在使用过程中还易出现二次发泡现象。对于大尺寸龙伯透镜天线的制作，加工及装配难度将进一步增大。

3  龙伯透镜的发展趋势

目前美国、日本、俄罗斯等国均制造出成熟的军用和民用系列的龙伯透镜天线，而国内虽较多机构开展了对龙伯透镜天线的研究，但大多停留在设计仿真阶段，实际应用较少。在现代军事电子领域中，龙伯透镜天线表现出巨大的性能优势，且具有很大的工程潜力，本文将龙伯透镜的发展方向概括如下。

3.1  传统球形龙伯透镜天线的改进优化

针对传统球形龙伯天线制备工艺复杂的问题，从材料和工艺角度出发，采用适宜的低损耗高介电常数材料，如人工电磁材料、改性发泡材料等，优化设计出可靠的加工方式，如3D打印技术。

3.2  大口径高增益龙伯透镜天线的研制

在信息化战争条件下，各作战单元间的信息传输种类繁多，数据吞吐量巨大，且电磁环境越来越复杂，各种电子对抗手段对我方作战平台之间的通信构成的威胁也越来越大。因此，提高通信的抗干扰能力以及通信容量刻不容缓，急需开展一站多星多频段的卫星通信技术研究和系统建设。而一站多星多频段对龙伯透镜天线的增益要求更高，因此有必要进行大口径高增益龙伯透镜天线的研制。

3.3  新型龙伯透镜天线的研制

随着超材料和各种低介电损耗材料的兴起以及变换光学理论的提出，针对于不同的应用场景，传统的球形龙伯透镜天线被压缩为平板、椭球或双凸等形态，大大缩减了透镜天线的尺寸和重量，在保证原有龙伯透镜聚焦性能的同时还实现了更大的口径效率。以超材料和变换光学理论为基础，开拓出更多的新型龙伯透镜天线，以满足不同应用场景需求，增大龙伯透镜的竞争优势。

4  结  论

龙伯透镜以其良好的天线性能优势以及结构优势，在当今信息化战争中有着举足轻重的地位，在军事卫星通信领域、电子对抗领域和军事跟踪系统中有着较大的工程应用潜力。针对目前国内对龙伯透镜的研究情况，本文基于四川省军民融合产业发展专项资金项目研究成果，笔者提出了龙伯透镜今后的几点发展方向，即传统球形龙伯透镜天线的改进优化、大口径高增益龙伯透镜天线的研制以及新型龙伯透镜天线的研制。

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作者简介：冉华英（1993—），女，汉族，四川乐山人，硕士研究生，研究方向：复合材料工程化应用研究。