龙勃透镜,也叫龙伯透镜或伦伯透镜,英文名 Luneburg lens。

 

这种透镜的模型,最早是 1944 年由美国数学家鲁道夫·卡尔·卢纳伯格(Rudolf Karl Lüneburg)提出的。龙勃,也就是卢纳伯格。

 

卢纳伯格 1903 年生于德国,在哥廷根(Göttingen)获得博士学位,1935 年移居德国,擅长数学和光学。他的著作《Mathematical Theory of Optics(光学的数学理论)》在学术界占有一席之地。

 

 

龙勃透镜是透镜的一种。说到透镜,大家应该比较熟悉,例如凸透镜、凹透镜,可以对光线进行汇聚和发散。

 

 

龙勃透镜比较特殊,它是一个完整球形的透镜,如下图所示:

 

龙勃透镜

 

它可以将入射的特定波长的电磁波汇聚,汇聚到球面上的某一个点。同样的,它也可以将电磁波沿着原方向反射回去。

 

入射与反射

 

大家会发现,电磁波(光线)在球体中发生了“拐弯”的现象。

 

是的,如果球体是均匀的同类介质,里面的电磁波(光线)是不可能“拐弯”的。龙勃透镜模型的一个重要前提,就是球体从外到内材料的介电常数是梯度变化的。

 

看不懂?别慌!简单理解,它就像一个洋葱结构,从外到内,是一层一层的。每层材料的折射率不一样,从而导致了电磁波(光线)的拐弯。

 

洋葱结构(层数越多,效果越理想)

 

在自然界中并不存在这样的天然材料。在 1944 年,以当时的材料和工艺水平,也造不出完美的透镜实物。

 

但是,龙勃透镜很有用。为什么有用?因为龙勃透镜可以让任何方向入射的电磁波,都会汇聚到球面上的某一个点上。

 

 

这适合什么用途?对,天线

 

只要在球体表面放上馈源,就可以产生很好的增益效果。让信号朝指定的方向辐射,也可以接收指定方向过来的信号。

 

龙勃透镜天线的辐射效果演示

 

进入 50 年代之后,越来越多的学者参与到对龙勃透镜的研究之中。

 

1958 年,G.Peeler 等人搞出了几种龙勃透镜天线的分层方法,并设计出了一些二维和三维的龙勃透镜天线模型,算是比较突出的成果。

 

但是,还是因为材料和工艺的原因,相关研究无法取得更大的进展,逐渐陷入停滞。

 

60 年代的时候,美国人曾经尝试将龙勃透镜引入军用领域。

 

当时,美国研发宙斯盾系统遇到瓶颈,于是,搞了一个“提丰”舰空导弹计划。计划里面的 SPG-59 雷达,就是基于龙勃透镜的原理。

 

SPG-59 结构及实物

 

不过,雷达造出来之后并没有达到理想的效果,天线增益太低,探测能力太弱,最终也是无疾而终。

 

SPG-59 雷达内部的复杂馈源阵列和导线

 

进入 90 年代,随着材料和加工制造工艺水平的成熟,人们重新开始启动对龙勃透镜的研究。这一期间,不管是理论研究,还是实物制造,都有了不少突破。

 

值得一提的是瑞典学者 John R.Sanford。他在 94-95 年发表了多篇文章,对龙勃透镜天线理论的发展做出了重大贡献。

 

进入 21 世纪之后,陆续有学者造出了性能良好的天线原型。产业界方面,也开始有了实用型产品问世。

 

2004 年,日本 JSAT 株式会社与住友电气工业株式会社联合推出了“Lune-Q”新型龙勃透镜天线系列。该天线系列主要用于卫星通信,可以接收多个卫星信号。

 


相比传统抛物面卫星天线,龙勃透镜天线具有良好的耐风性能。

 

 

后来,住友电气又把龙勃透镜天线用在测风雷达上。

 

测风雷达天线

 

法国也曾经尝试在高速列车上安装龙勃透镜天线,以接收卫星电视信号。

 

澳大利亚还开建了一个占地一平方公里的射电天文龙勃透镜天线阵列(SKA),用到了 2000 多个透镜单元,非常壮观。

 

SKA 阵列(2008 年开建,2018 年完工)

 

再之后,龙勃透镜天线的发展出现了三个重要的机遇。

 

第一个,是 3D 打印技术的不断成熟。

 

3D 打印,更好地解决了透镜天线制造工艺的问题,也大幅降低了成本。这相当于拉低了透镜天线的制造门槛。

 

3D 打印的龙勃透镜天线

 

第二个,是军用隐身技术的快速发展。

 

进入 21 世纪之后,世界列强大力发展五代战斗机,还有各种隐身战舰,非常强调隐身性能。

 

由于龙勃透镜对平面波束的聚焦特性,当雷达波通过该透镜时,透镜的雷达反射截面积比其物理截面要大很多。因此,龙勃透镜被广泛用于制造雷达反射器,用于提高武器自身雷达反射截面积。

 

例如,我们国家最先进的隐身飞机歼 -20,就会挂载龙勃透镜。如果不挂,连自己的雷达都发现不了,无法进行有效指引。

 

歼 20 挂载的龙勃透镜

 

龙勃透镜

 

第三个,是毫米波技术的快速发展。

 

毫米波通信需要天线有更高的增益,更好的波束能力,而龙勃透镜天线非常擅长。

 

借此机遇,龙勃透镜天线开始逐渐在移动通信领域进行应用。

 

2015 年,美国运营商 AT&T 在芝加哥的一次音乐节上,使用了一种名为“Giant Eyeball(大眼球)”的新型天线,就是一种龙勃透镜天线。据说该天线效果显著,可以提供比传统单波天线多 10 倍的容量。

 

Giant Eyeball(大眼球)

 

2018 年,美国的科技初创公司 Lunewave 宣布自己完成了 500 万美金的种子轮融资。这家公司就是利用 3D 打印技术,制造基于龙勃透镜技术的车载雷达传感器。

 

他们制造的传感器,号称具有 360°视野,即使在远距离和恶劣天气下,也可以实现车辆周围环境的高分辨率探测,

 

 

Lunewave 使用 3D 打印制成的龙勃透镜

(图片来源:Lunewave)


国内在龙勃透镜天线商业化方面也有突破。

 

2017 年,苏州海天新天线科技股份有限公司研制成功了一款“龙伯球天线”,并于 2019 年亮相上海 MWC,吸引了广泛关注。

 

“龙伯球天线”(发明人是肖良勇教授,命名为“肖氏天线”)
(图片来源:通信世界网)

 

该产品发明人肖良勇教授介绍,龙伯球支持超宽频率范围,可广泛应用于大规模应急通信保障、Wi-Fi 高密度覆盖、4G 网络大容量扩容改造及 5G 移动通信大容量、高速率数据传输场景。其超轻特性在高增益雷达、航天、航空、天文射电观测等无线通信与信息化建设领域具有潜在开发前景。

 

肖良勇教授

 

去年 12 月,佛山市粤海信通讯有限公司也发布了自家的新一代龙勃透镜天线。

 

该天线据称通过了试点验证,能够对天线波束赋形,获得高增益、窄波束的方向图,更贴近狭长分布的公路铁路桥,满足桥区的覆盖需求。

 

发布会现场展示的龙勃透镜天线

 

粤海信官网展示的 5G 龙勃透镜天线产品
(工作频率 4.2-4.9GHz,增益 20dBi)

 

除了上述公司之外,国内还有多个团队在进行龙勃透镜天线方面的研究,也积累了不少专利。国内的多所高校,包括电子科大、东南大学等,也在龙勃透镜天线方面输出了不少成果。

 

既然是天线黑科技,作为运营商来说,当然是不会放过的。

 

国内三大运营商一直对龙勃透镜天线保持着极大的关注,也有所动作。

 

2018 年,中移动就在陕西咸阳的高铁渭河铁路桥上,进行了龙勃透镜天线的测试。根据透露出来的数据显示,覆盖效果远远好于普通天线。

 

 

此后,中移动还在河南汴梁等地进行了类似的测试。

 

再后来,在一些演唱会等重大保障场合,中移动也进行了龙勃透镜天线的测试,取得了不错的效果。

 

2019 年 4 月,在陕西黄陵的轩辕黄帝公祭典礼上,陕西联通进行了 5G 直播和通信保障,据说也采用了龙勃透镜 5G 天线。

 

龙勃天线真正引起通信行业的广泛关注,是源于去年网上流传的一篇文章(作者铁流,公号已被删,可以百度搜“技术革新,新型 5G 天线”,还能看到一些转载)。

 

文章声称,龙勃透镜天线可以显著增加 5G 天线的覆盖范围,从而大幅降低 5G 建设成本。

 

后来很多媒体炒作,就变成了“无龙勃,不 5G”。也就是说,他们认为 5G 时代将是龙勃透镜天线一统江湖。

 

不可否认,无论从理论上还是试验上,龙勃透镜 5G 天线都有非常优异的表现——和传统 5G 天线相比,龙勃透镜 5G 天线更适合多波束,辐射单元更少,馈电网络更简单,可靠性更高,用电更少,功耗更低,甚至重量也更轻。

 

但是,想要短时间内使用龙勃透镜天线全面取代传统天线,这是不可能的。

 

现在 5G 大规模建设已经启动,大家可以看到,并没有采用龙勃透镜天线。

 

主要原因还是龙勃透镜天线的技术和产业成熟度问题。

 

从材料、工艺各方面来看,龙勃透镜天线都还没有到大规模低成本生产制造的程度。对于 5G 这样的全国型通信基础设施,没有产业链支撑的技术和产品,是不可能被轻易采用的。

 

而且,龙勃透镜天线属于专利技术,只有少部分厂商掌握。在这种情况下,运营商是不可能贸然 All in 的,很容易受制于人。

 

所以,像前面所说,中国移动暂时还是在应急保障等特殊场合进行龙勃透镜天线的测试,密切观望其后续发展状态。

 

如果龙勃透镜天线能够在 5G 毫米波网络建设全面启动之前(目前国内主要是建设 Sub6 频段的 5G),彻底完成产业化,具有很完善的产业体系,那么,它才有可能在未来的 5G 市场中占据一席之地。

 

如果它做不到,不好意思,只能等 6G 了。

 

好了,关于龙勃透镜天线的介绍,就到这里。