龙伯透镜天线及其应用

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｡

除了易于操作之外,龙伯透镜天线还具有接收角度范围广(约120°,几乎覆盖所有视角内的卫星)､带宽高等特点｡然而,一直以来材料技术和制造水平限制了这种天线的应用｡过去的龙伯透镜天线昂贵且沉重,一个45公分的天线重量达20公斤,而70公分的天线重量则超过70公斤｡随着材料技术的不断进步,如今制造商可以大大减轻天线的重量,45～55公分型号的龙伯透镜天线重量已经缩减到大约10公斤,日本NHK更宣称他们的80公分透镜天线重量仅有25公斤｡

比起传统卫星天线,龙伯透镜天线的性能究竟如何?实际测试表明,龙伯透镜天线的性能与同尺寸的偏馈天线相比仅有微小的差距｡也就是说,50公分的龙伯透镜天线与50公分的偏馈天线在增益性能上大致相当｡图5所示为80公分龙伯透镜天线的增益曲线｡

当然,龙伯透镜天线也有其局限性｡在一个直径较小的龙伯透镜天线上,由于尺寸的限制,几乎无法利用普通高频头来同时接收两个以上相邻卫星的信号｡简单的计算即可证明,假如采用40公分的透镜天线,高频头宽度7公分,馈源距球体中心约50公分,则夹角小于8°的两颗卫星无法被同时接收｡

虽然龙伯透镜天线在重量和造价上已经有了很大改进,但相较于传统天线,龙伯透镜天线的制造难度仍然偏高,成本也比较贵｡目前市面上能够见到的主要是40～50公分的小尺寸型号｡如果想把90公分的普通天线或极轴天线换成龙伯透镜天线,现在还不是时候｡小尺寸的透镜天线灵敏度不够,而大尺寸的不是非常重,就是还没商品化｡

不过,SNG卫星转播车很适合采用这种天线｡在SNG车移动时,安装在车顶的卫星天线一般都是折叠存放,到达现场后再展开并连接卫星｡这个过程可能需要花费数分钟时间,而且因其风阻大(如图6),易受强风天气的影响｡不仅如此,要控制天线的方位,还需要使用大功耗的电机｡使用龙伯透镜天线可以避免这些问题,其结构紧凑､易于安装使用､功耗低､抗风性能好等特点,使其成为理想的移动卫星地面收/发天线和多用途微波天线｡