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龙伯透镜天线及其应用


□ 王开民 王 汀

  龙伯透镜天线(Luneberg Lens)由R.K.龙伯(R.K.Luneberg)于1944年提出,距今已有超过60年的历史。经过工程技术人员的不断更新和改良,现在这项电介质透镜天线技术被广泛用来制造低成本、高增益和易于操作的微波天线,主要应用于移动接收站对卫星的跟踪等方面。
  
  龙伯透镜天线是一种透过电介质将微波集中至焦点的透镜天线技术。它事实上是一个由介电材料制成的球体,能够将各个方向传来的微波信号汇聚到透镜表面的一点。在无限接近球体表面的部分,其材质的介电常数等于1(εR=1,即与空气的介电常数相同);在球体中心部分,其介电常数则等于2(εR=2)。球体从表面到中心材质的介电常数是渐变的,在理想情况下,其变化应符合以下函数:
  εR=2-(r/R)2
  式中r为当前位置到球体中心的距离,为球体的半径。图1显示了球体内部介电常数的变化曲线。
  在实际当中,龙伯透镜天线是由多层不同介电常数的材料包裹而成的洋葱状结构(如图2),其介电常数变化曲线是离散的,必须尽可能接近理想状态下的连续平滑曲线。包裹的材料层数越多,透镜天线越接近理想状态,然而这也会相应增加层与层之间夹杂的空气,从而影响天线性能。另外,增加层数还会相应加大制造难度和材料成本。因此,厂商通常都把球体层数限制在10层左右(一般为7~13层)。位于核心的部分采用εR=2的材料,最外层采用εR=1的材料。用于制造龙伯透镜天线的传统材料包括聚苯乙烯泡沫塑料(EPS,Expanded Polystyrene),发泡玻璃及其他蜂窝材料,其介电常数可通过控制材料充填密度的方式加以调整。出于制造难度和成本的考虑,龙伯透镜天线的制造通常不采用完整的球体,而是做成半球的形状,半球的底面用反射电波的材料制作。这种设计降低了成本及天线本身的重量,其原理如图3所示。
  入射电波穿透球体表面,然后被折射、汇聚到球体另外一面的焦点上。不同卫星信号的入射方向不同,在球面上汇聚的焦点位置也不同。由于龙伯透镜天线是完全球体,对所有方向的电波具有均一性,所以只需沿着透镜表面简单移动馈源的位置并使其对准所需的信号来向,即可完成对不同卫星信号的接收,无需改变透镜天线的位置。不仅如此,我们更可以在龙伯透镜天线表面安装多个高频头,从而实现单个天线同时接收数个卫星信号(如图4)。龙伯透镜天线的这种特性对快速追踪卫星十分有用,典型的例子如卫星新闻转播车(SNG)、移动式卫星地面站、对近地卫星的定位等。 ......
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