關(guān)于龍勃透鏡天線，看這一篇就夠了

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(guó)數(shù)學(xué)家魯?shù)婪颉た枴けR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(guó)，在哥廷根（G?ttingen）獲得博士學(xué)位，1935 年移居德國(guó)，擅長(zhǎng)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(shuō)到透鏡，大家應(yīng)該比較熟悉，例如凸透鏡、凹透鏡，可以對(duì)光線進(jìn)行匯聚和發(fā)散。

龍勃透鏡比較特殊，它是一個(gè)完整球形的透鏡，如下圖所示：

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龍勃透鏡

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

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入射與反射

大家會(huì)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(gè)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(jiǎn)單理解，它就像一個(gè)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。

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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(shí)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哥R可以讓任何方向入射的電磁波，都會(huì)匯聚到球面上的某一個(gè)點(diǎn)上。

這適合什么用途？對(duì)，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(hào)朝指定的方向輻射，也可以接收指定方向過(guò)來(lái)的信號(hào)。

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龍勃透鏡天線的輻射效果演示

進(jìn)入 50 年代之后，越來(lái)越多的學(xué)者參與到對(duì)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(jì)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?，相關(guān)研究無(wú)法取得更大的進(jìn)展，逐漸陷入停滯。

60 年代的時(shí)候，美國(guó)人曾經(jīng)嘗試將龍勃透鏡引入軍用領(lǐng)域。

當(dāng)時(shí)，美國(guó)研發(fā)宙斯盾系統(tǒng)遇到瓶頸，于是，搞了一個(gè)“提豐”艦空導(dǎo)彈計(jì)劃。計(jì)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(guò)，雷達(dá)造出來(lái)之后并沒(méi)有達(dá)到理想的效果，天線增益太低，探測(cè)能力太弱，最終也是無(wú)疾而終。

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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(kāi)始啟動(dòng)對(duì)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(duì)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(kāi)始有了實(shí)用型產(chǎn)品問(wèn)世。

2004 年，日本 JSAT 株式會(huì)社與住友電氣工業(yè)株式會(huì)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(gè)衛(wèi)星信號(hào)。

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(lái)，住友電氣又把龍勃透鏡天線用在測(cè)風(fēng)雷達(dá)上。

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測(cè)風(fēng)雷達(dá)天線

法國(guó)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(hào)。

澳大利亞還開(kāi)建了一個(gè)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(gè)透鏡單元，非常壯觀。

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SKA 陣列（2008 年開(kāi)建，2018 年完工）

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

第一個(gè)，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(wèn)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。

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3D 打印的龍勃透鏡天線

第二個(gè)，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(duì)平面波束的聚焦特性，當(dāng)雷達(dá)波通過(guò)該透鏡時(shí)，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(guó)家最先進(jìn)的隱身飛機(jī)殲 -20，就會(huì)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(wú)法進(jìn)行有效指引。

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殲 20 掛載的龍勃透鏡

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龍勃透鏡

第三個(gè)，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(zhǎng)。

借此機(jī)遇，龍勃透鏡天線開(kāi)始逐漸在移動(dòng)通信領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。

2015 年，美國(guó)運(yùn)營(yíng)商 AT&T 在芝加哥的一次音樂(lè)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(shuō)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。

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Giant Eyeball（大眼球）

2018 年，美國(guó)的科技初創(chuàng)公司 Lunewave 宣布自己完成了 500 萬(wàn)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(hào)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(cè)，

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Lunewave 使用 3D 打印制成的龍勃透鏡

(圖片來(lái)源：Lunewave)

國(guó)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。

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“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(lái)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(dòng)通信大容量、高速率數(shù)據(jù)傳輸場(chǎng)景。其超輕特性在高增益雷達(dá)、航天、航空、天文射電觀測(cè)等無(wú)線通信與信息化建設(shè)領(lǐng)域具有潛在開(kāi)發(fā)前景。

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肖良勇教授

去年 12 月，佛山市粵海信通訊有限公司也發(fā)布了自家的新一代龍勃透鏡天線。

該天線據(jù)稱通過(guò)了試點(diǎn)驗(yàn)證，能夠?qū)μ炀€波束賦形，獲得高增益、窄波束的方向圖，更貼近狹長(zhǎng)分布的公路鐵路橋，滿足橋區(qū)的覆蓋需求。

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發(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)展示的龍勃透鏡天線

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粵海信官網(wǎng)展示的 5G 龍勃透鏡天線產(chǎn)品
（工作頻率 4.2-4.9GHz，增益 20dBi）

除了上述公司之外，國(guó)內(nèi)還有多個(gè)團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行龍勃透鏡天線方面的研究，也積累了不少專利。國(guó)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(yíng)商來(lái)說(shuō)，當(dāng)然是不會(huì)放過(guò)的。

國(guó)內(nèi)三大運(yùn)營(yíng)商一直對(duì)龍勃透鏡天線保持著極大的關(guān)注，也有所動(dòng)作。

2018 年，中移動(dòng)就在陜西咸陽(yáng)的高鐵渭河鐵路橋上，進(jìn)行了龍勃透鏡天線的測(cè)試。根據(jù)透露出來(lái)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(dòng)還在河南汴梁等地進(jìn)行了類似的測(cè)試。

再后來(lái)，在一些演唱會(huì)等重大保障場(chǎng)合，中移動(dòng)也進(jìn)行了龍勃透鏡天線的測(cè)試，取得了不錯(cuò)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(shuō)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(hào)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(lái)很多媒體炒作，就變成了“無(wú)龍勃，不 5G”。也就是說(shuō)，他們認(rèn)為 5G 時(shí)代將是龍勃透鏡天線一統(tǒng)江湖。

不可否認(rèn)，無(wú)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(jiǎn)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(shí)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(dòng)，大家可以看到，并沒(méi)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(wèn)題。

從材料、工藝各方面來(lái)看，龍勃透鏡天線都還沒(méi)有到大規(guī)模低成本生產(chǎn)制造的程度。對(duì)于 5G 這樣的全國(guó)型通信基礎(chǔ)設(shè)施，沒(méi)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(yíng)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(shuō)，中國(guó)移動(dòng)暫時(shí)還是在應(yīng)急保障等特殊場(chǎng)合進(jìn)行龍勃透鏡天線的測(cè)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(dòng)之前（目前國(guó)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(lái)的 5G 市場(chǎng)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。