[发明专利]一种半球龙伯透镜天线的制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及通信领域，更具体地说，涉及一种半球龙伯透镜天线。

背景技术

龙伯透镜天线以球形为基本形状(在本文中有时也称为龙伯球)，是由R.K.龙伯于1944年基于几何光学法提出的概念。龙伯透镜天线是一种透过电介质将电磁波聚焦至焦点的透镜天线。它是一个由介电材料制成的球体，能够将各个方向传来的电磁波汇聚到透镜表面相应的一点。在无限接近球体表面的部分，其材质的介电常数＝1(即与空气的介电常数相同)，其球心处的介电常数＝2。球体从表面到中心材质的介电常数是渐变的，其变化规律为ε_r(r)＝2-(r/R)²(0≤r≤R)，其中，r为当前位置到球体中心的距离，R为龙伯透镜天线的半径。

龙伯透镜天线一般都是针对特定目标入射电磁波进行设计的。目标入射电磁波穿透球体表面，然后折射聚焦到球体另一面的焦点上，不同电磁波信号的入射方向不同，在球面上汇聚的焦点位置也不同。因此在龙伯透镜天线为完全球体的情况下，接收信号角度方位广，只需沿着透镜表面简单地移动馈源位置，或放置多个馈源，就可以同时接收多个信号而不需改变透镜天线的位置。此外不像其他天线具有有限的适用频带，龙伯透镜天线可用于例如波长为从1米到0.1厘米的微波以及波长大于微波的全部电磁波段，包括波长从3000米到10^-3米的无线电波，因此适用于大容量的带宽通信系统。

另外，由于龙伯透镜天线具有将电磁波聚焦的特性，使其雷达反射截面积(即RCS值，也是衡量龙伯透镜天线性能的关键技术指标)远大于其物理截面积，因此可用于设置防雷达假目标、干扰伪装、靶的标定、救援等方面。

作为完整球体的龙伯透镜天线的球对称结构和聚焦电磁波的功能使其广泛应用在卫星通信、雷达天线、电子对抗等领域，做为卫星地面站、卫星新闻转播车、射电天文望远镜、军用假目标、靶机、靶弹、汽车防撞雷达等的天线部件。

理论上，用于龙伯透镜天线的材料的介电常数从球心到最外层应该是从2到1连续变化。然而实际上是无法制作出这样理想的龙伯透镜天线的，一般常用分层设计的离散球壳来代替。

最初，制作龙伯透镜天线是利用具有不同介电常数的材料来进行，然而能满足要求的材料非常有限，而且材料之间介电常数梯度太大，因此通过材料选择来制作的龙伯球质量大，透镜的辐射特性也不是最佳，一直没有得到广泛应用。

2003年，Sébastien Rondineau等(Sébastien Rondineau等.Asliced spherical luneburg lens.IEEE Antennas Wireless Propagat.lett.2003，2:163-166)将龙伯透镜天线沿球径方向分层，按照一定打孔规则在介质层上打孔，以期达到所需的介电常数。这种打孔设计的龙伯透镜在孔定位和加工上操作难度非常大，而且由于孔的数目多，存在形变和机械强度不足等问题，各部分间的牢固性低。这种设计方法只是实现了宏观上的介电常数等效，透镜天线的效率很低，在26.5GHz，效率只有30％，在32GHz，效率只有15％。

发泡法是目前最常用的制作龙伯透镜天线的方法。该方法一般是先将用树脂制作的珠料适当发泡，然后按粒度大小进行筛选分组。然后根据所设计的介电常数将不同组的发泡材料混合而使混合材料的介电常数等于预定的介电常数。再将粘合剂和泡沫珠料混在一起，灌在尺寸合适的球型模具中，待粘合剂中的可挥发成分挥发后，使珠料硬化、粘合而获得具有预定介电常数的球壳。

目前制作的龙伯透镜天线通常是由多层具有不同介电常数的材料包裹而成的，其介电常数的变化是离散的，近似模拟理想状态下的介电常数连续平滑变化。一般而言，包裹的材料层数越多，透镜天线越接近理想状态，然而这也相应的增加了层与层之间存在空气的概率，理论上，空气层的径向厚度大于入射波长的5％即可显著地使龙伯透镜天线性能下降。

另外，增加层数还会相应加大制造难度和材料成本、模具成本以及制造周期。因此，现有技术通常把球体的层数限制在10层左右，少见多于10层的结构，因此模拟理想的介电常数连续平滑变化的程度有限，尤其是对于大尺寸的龙伯透镜天线。