龍伯透鏡在軍事電子領域中的發(fā)展與應用

冉華英 謝琪 李高英 王政理 鄧俊

摘? 要：龍伯透鏡具有高增益、寬頻帶、寬角范圍和多波束掃描的特點，在現(xiàn)代軍事電子領域中，表現(xiàn)出巨大的性能優(yōu)勢及工程潛力。通過研究龍伯透鏡國內(nèi)外應用情況，以龍伯透鏡的基本原理以及實現(xiàn)方式為基礎，報告了龍伯透鏡在衛(wèi)星通信領域、電子對抗領域和軍事跟蹤系統(tǒng)中的應用背景、性能優(yōu)勢及應用實例。最后，從傳統(tǒng)球形龍伯透鏡天線的改進優(yōu)化、大口徑高增益龍伯透鏡天線的研制和新型龍伯透鏡天線的研制三個方面提出了龍伯透鏡未來的三個發(fā)展方向。

關鍵詞：龍伯透鏡;衛(wèi)星通信;電子對抗;軍事跟蹤

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

龍伯透鏡是一種由非均勻介質材料構成的洋蔥狀中心對稱球體，其介電常數(shù)從透鏡中心（ε=2）向透鏡表面（ε=1）逐漸遞減。這種介電常數(shù)分布使得龍伯透鏡具有良好的聚焦特性，能將各方向入射的電磁波匯聚到透鏡表面焦點，同時也可以將焦點處發(fā)出的電磁波轉換為平面波，實現(xiàn)多波束通信，滿足一線多星的需求。此外，龍伯透鏡具有良好的天線性能參數(shù)，如高增益、低副瓣，以及高反射效率、寬頻帶和寬角度響應等特性。在結構形式方面龍伯透鏡本身也具備較多的可變參量，如折射面、折射率和幾何尺寸等。這些性能特點使得龍伯透鏡在復雜的實際工程應用中具有獨特的優(yōu)勢，在衛(wèi)星通信、導航、雷達抗干擾技術等領域具有廣泛的應用前景。然而，龍伯透鏡在軍事領域中的應用在歐美國家報道較多，國內(nèi)相關報道較少。在工程化應用方面，龍伯透鏡也存在一定的加工生產(chǎn)難題。因此，本文介紹了龍伯透鏡目前的幾種實現(xiàn)方式，報告了龍伯透鏡在軍事領域中的應用，并對龍伯透鏡的研制方向做了總結，為后續(xù)對龍伯透鏡的進一步研究和實際生產(chǎn)做鋪墊。

1? 龍伯透鏡的實現(xiàn)

1.1? 龍伯透鏡工作原理

如圖1所示，電磁波由透鏡焦點處即饋源發(fā)出后在透鏡內(nèi)部沿橢圓的四分之一邊路徑傳播，于口徑面處球面的電磁波轉換為等相位的平面電磁波，形成高定向輻射波束?；诠獾目赡嫘栽恚肷涞钠矫骐姶挪ń?jīng)龍伯透鏡匯聚后聚焦于透鏡焦點。

從式（1）可以得出，透鏡中心的介電常數(shù)為2，表面的介電常數(shù)為1，介電常數(shù)從透鏡中心向透鏡表面漸變減小，且介電常數(shù)的分布具有球面的高度對稱性。基于以上工作原理，龍伯透鏡天線在多波束天線和波束掃描天線應用中具有明顯的優(yōu)勢[1]。此外，龍伯透鏡表面一定距離處的任意一點均可視為焦點，在焦點處放置多饋源，通過移動饋源便可實現(xiàn)全向空間的多波束掃描。由于球面的對稱性，每個波束具有相同的輻射特性。龍伯透鏡介電常數(shù)的分布屬其固有性質，基本不隨頻率改變，與幾何光學的等光程法則相匹配，因此龍伯透鏡的工作帶寬取決于所照射饋源的帶寬，利用多個饋源龍伯透鏡天線就可實現(xiàn)超寬帶特性。

1.2? 龍伯透鏡的實現(xiàn)

1944年，R.K.Luneberg[2]基于幾何光學提出龍伯透鏡的概念，距今已有70余年的發(fā)展歷史，但由于可利用的低損耗高介電有機材料種類甚少和透鏡制作工藝不成熟的原因，龍伯透鏡天線的發(fā)展和實際應用在一段時間內(nèi)受到限制。直到上世紀70年代末，美國才首次將龍伯透鏡天線應用于實際工程[3]。進入90年代后，隨著現(xiàn)代材料制造技術的成熟和理論研究的突破，龍伯透鏡的發(fā)展取得了長足的進步。

目前，還沒有可靠的技術能夠制作出介電常數(shù)連續(xù)變化的材料，因此在實際設計中常采用分層制造思想，利用具有洋蔥狀結構的球殼來逼近連續(xù)漸變的理想介電常數(shù)。比利時的愛瑪森康明公司[4]和日本住友電氣工業(yè)株式會社[5]將聚苯乙烯珠粒和發(fā)泡劑在特制模具內(nèi)于高溫下發(fā)泡成型，通過調(diào)節(jié)每層球殼內(nèi)珠粒的表觀密度來實現(xiàn)龍伯透鏡天線所需的介電常數(shù)。Mosallaei H[6]指出，兩層同心球殼即可實現(xiàn)龍伯透鏡天線所需的介電常數(shù)分布。利用熱發(fā)泡技術制備龍伯透鏡雖然成本較低，但該方法對材料的介電常數(shù)要求較高，且在模具成型過程中珠粒的發(fā)泡過程及一致性較難控制，使得介電常數(shù)的精度及均勻性難以保證，且在使用過程中還易出現(xiàn)二次發(fā)泡現(xiàn)象。對于大尺寸龍伯透鏡天線的制作，加工及裝配難度將進一步增大。

3? 龍伯透鏡的發(fā)展趨勢

目前美國、日本、俄羅斯等國均制造出成熟的軍用和民用系列的龍伯透鏡天線，而國內(nèi)雖較多機構開展了對龍伯透鏡天線的研究，但大多停留在設計仿真階段，實際應用較少。在現(xiàn)代軍事電子領域中，龍伯透鏡天線表現(xiàn)出巨大的性能優(yōu)勢，且具有很大的工程潛力，本文將龍伯透鏡的發(fā)展方向概括如下。

3.1? 傳統(tǒng)球形龍伯透鏡天線的改進優(yōu)化

針對傳統(tǒng)球形龍伯天線制備工藝復雜的問題，從材料和工藝角度出發(fā)，采用適宜的低損耗高介電常數(shù)材料，如人工電磁材料、改性發(fā)泡材料等，優(yōu)化設計出可靠的加工方式，如3D打印技術。

3.2? 大口徑高增益龍伯透鏡天線的研制

在信息化戰(zhàn)爭條件下，各作戰(zhàn)單元間的信息傳輸種類繁多，數(shù)據(jù)吞吐量巨大，且電磁環(huán)境越來越復雜，各種電子對抗手段對我方作戰(zhàn)平臺之間的通信構成的威脅也越來越大。因此，提高通信的抗干擾能力以及通信容量刻不容緩，急需開展一站多星多頻段的衛(wèi)星通信技術研究和系統(tǒng)建設。而一站多星多頻段對龍伯透鏡天線的增益要求更高，因此有必要進行大口徑高增益龍伯透鏡天線的研制。

3.3? 新型龍伯透鏡天線的研制

隨著超材料和各種低介電損耗材料的興起以及變換光學理論的提出，針對于不同的應用場景，傳統(tǒng)的球形龍伯透鏡天線被壓縮為平板、橢球或雙凸等形態(tài)，大大縮減了透鏡天線的尺寸和重量，在保證原有龍伯透鏡聚焦性能的同時還實現(xiàn)了更大的口徑效率。以超材料和變換光學理論為基礎，開拓出更多的新型龍伯透鏡天線，以滿足不同應用場景需求，增大龍伯透鏡的競爭優(yōu)勢。

4? 結? 論

龍伯透鏡以其良好的天線性能優(yōu)勢以及結構優(yōu)勢，在當今信息化戰(zhàn)爭中有著舉足輕重的地位，在軍事衛(wèi)星通信領域、電子對抗領域和軍事跟蹤系統(tǒng)中有著較大的工程應用潛力。針對目前國內(nèi)對龍伯透鏡的研究情況，本文基于四川省軍民融合產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項資金項目研究成果，筆者提出了龍伯透鏡今后的幾點發(fā)展方向，即傳統(tǒng)球形龍伯透鏡天線的改進優(yōu)化、大口徑高增益龍伯透鏡天線的研制以及新型龍伯透鏡天線的研制。

參考文獻：

[1] 劉璟.多波束龍伯透鏡天線技術研究 [D].成都：電子科技大學，2010.

[2] LUNEBERG R K. Mathematical Theory of Optics [M].Los Angeles：Brown University Press，1944.

[3] 肖雨琴，張英波，李鳳山.龍伯透鏡天線的研制 [J].艦船科學技術，1992（3）：33-38.

[4] CARPENTER M P，OSWARD M M，GIBBS D A. Lens of gradient dielectric constant and methods of production：US6433936 [P].2002-08-13.

[5] 所壽男，佐佐木一敏，篠原充，等.Luneberg介電透鏡及其制造方法：CN101057370 [P].2007-10-17.

[6] MOSALLAEI H，RAHMAT-SAMII Y. Nonuniform Luneburg and two-shell lens antennas：radiation characteristics and design optimization [J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2001，49（1）：60-69.

[7] LIANG M，NG W R，CHANG K，et al. A 3-D Luneburg Lens Antenna Fabricated by Polymer Jetting Rapid Prototyping [J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2014，62（4）：1799-1807.

[8] 田江曉，郭杰，莫崇江.龍伯透鏡制造工藝研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析 [J].飛航導彈，2013（5）：84-86.

[9] 劉若鵬，季春霖，岳玉濤，等.基于超材料的透鏡天線：CN102544717A [P].2012-07-04.

[10] BOSILJEVAC M，CASALETTI M，CAMINITA F，et al. Non-Uniform Metasurface Luneburg Lens Antenna Design [J].IEEE Transactions on Antennas & Propagation，2012，60（9）：4065-4073.

[11] KUNDTZ N，SMITH D R. Extreme-angle broadband metamaterial lens [J].Nature Materials，2010，9（2）：129-132.

[12] MA H F，CUI T J. Three-dimensional broadband and broad-angle transformation-optics lens [J].Nature Communications，2010，1（1）：2066-2070.

[13] 牛德鵬，羊錦仁，張光甫，等.基于光學變換的平面龍伯透鏡天線 [J].太赫茲科學與電子信息學報，2016，14（3）：390- 395.

[14] 張劍，黃坤，姚晉，等.信息化戰(zhàn)爭下的通信要求及技術研究 [J].艦船電子工程，2010，30（9）：10-12+44.

[15] 林昌祿.天線工程手冊 [M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[16] 楊東永.海上電子戰(zhàn)中的雷達無源干擾技術 [J].信息通信，2016（9）：116-117.

[17] 張洪濤.導彈陣地的反偵察措施探討 [J].航天電子對抗，2005（6）：8-10.

[18] 于有君.防雷達偵察偽裝技術的方法與措施 [J].群文天地，2012（8）：237.

作者簡介：冉華英（1993—），女，漢族，四川樂山人，碩士研究生，研究方向：復合材料工程化應用研究。