一種龍伯透鏡天線的制作方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型設及通信領域，更具體地說，設及一種龍伯透鏡天線。
【背景技術】
[0002] 龍伯透鏡天線W球形為基本形狀（在本文中有時也稱為龍伯球），是由R. K.龍伯 于1944年基于幾何光學法提出的概念。龍伯透鏡天線是一種透過電介質將電磁波聚焦至 焦點的透鏡天線。它是一個由介電材料制成的球體，能夠將各個方向傳來的電磁波匯聚到 透鏡表面相應的一點。在無限接近球體表面的部分，其材質的介電常數=1(即與空氣的介 電常數相同），其球屯、處的介電常數=2。球體從表面到中屯、材質的介電常數是漸變的，其 變化規律為￡f(r) =2-(r/R)2(0《r《R)，其中，r為當前位置到球體中屯、的距離，R為龍 伯透鏡天線的半徑。
[0003] 龍伯透鏡天線一般都是針對特定目標入射電磁波進行設計的。目標入射電磁波 穿透球體表面，然后折射聚焦到球體另一面的焦點上，不同電磁波信號的入射方向不同，在 球面上匯聚的焦點位置也不同。因此在龍伯透鏡天線為完全球體的情況下，接收信號角度 方位廣，只需沿著透鏡表面簡單地移動饋源位置，或放置多個饋源，就可W同時接收多個信 號而不需改變透鏡天線的位置。此外不像其他天線具有有限的適用頻帶，龍伯透鏡天線可 用于例如波長為從1米到0. 1厘米的微波W及波長大于微波的全部電磁波段，包括波長從 3000米到10 3米的無線電波，因此適用于大容量的帶寬通信系統。
[0004] 另外，由于龍伯透鏡天線具有將電磁波聚焦的特性，使其雷達反射截面積（即RCS 值，也是衡量龍伯透鏡天線性能的關鍵技術指標）遠大于其物理截面積，因此可用于設置 防雷達假目標、干擾偽裝、祀的標定、救援等方面。 陽〇化]作為完整球體的龍伯透鏡天線的球對稱結構和聚焦電磁波的功能使其廣泛應用 在衛星通信、雷達天線、電子對抗等領域，做為衛星地面站、衛星新聞轉播車、射電天文望遠 鏡、軍用假目標、祀機、祀彈、汽車防撞雷達等的天線部件。
[0006] 理論上，用于龍伯透鏡天線的材料的介電常數從球屯、到最外層應該是從2到1連 續變化。然而實際上是無法制作出運樣理想的龍伯透鏡天線的，一般常用分層設計的離散 球殼來代替。
[0007] 最初，制作龍伯透鏡天線是利用具有不同介電常數的材料來進行，然而能滿足要 求的材料非常有限，而且材料之間介電常數梯度太大，因此通過材料選擇來制作的龍伯球 質量大，透鏡的福射特性也不是最佳，一直沒有得到廣泛應用。
[0008] 2003 年，S6bastien R ondineau 等（S6bastien R ondineau 等.Asliced spherical luneburg lens. IEEE Antennas Wireless Propagat. lett. 2003,2 :163-166) 將龍伯透鏡天線沿球徑方向分層，按照一定打孔規則在介質層上打孔，W期達到所需的介 電常數。運種打孔設計的龍伯透鏡在孔定位和加工上操作難度非常大，而且由于孔的數目 多，存在形變和機械強度不足等問題，各部分間的牢固性低。運種設計方法只是實現了宏觀 上的介電常數等效，透鏡天線的效率很低，在26. 5GHz，效率只有30%，在32GHz，效率只有 15%。
[0009] 發泡法是目前最常用的制作龍伯透鏡天線的方法。該方法一般是先將用樹脂制作 的珠料適當發泡，然后按粒度大小進行篩選分組。然后根據所設計的介電常數將不同組的 發泡材料混合而使混合材料的介電常數等于預定的介電常數。再將粘合劑和泡沫珠料混在 一起，灌在尺寸合適的球型模具中，待粘合劑中的可揮發成分揮發后，使珠料硬化、粘合而 獲得具有預定介電常數的球殼。
[0010] 目前制作的龍伯透鏡天線通常是由多層具有不同介電常數的材料包裹而成的，其 介電常數的變化是離散的，近似模擬理想狀態下的介電常數連續平滑變化。一般而言，包裹 的材料層數越多，透鏡天線越接近理想狀態，然而運也相應的增加了層與層之間存在空氣 的概率，理論上，空氣層的徑向厚度大于入射波長的5%即可顯著地使龍伯透鏡天線性能下 降。
[0011] 另外，增加層數還會相應加大制造難度和材料成本、模具成本W及制造周期。因 此，現有技術通常把球體的層數限制在10層左右，少見多于10層的結構，因此模擬理想的 介電常數連續平滑變化的程度有限，尤其是對于大尺寸的龍伯透鏡天線。
[0012] 現有技術中通過發泡法制造龍伯透鏡天線所使用的材料通常為聚苯乙締泡沫。可 通過控制泡沫密度來控制其內的空氣體積分數，從而控制其宏觀平均介電常數為預期值。 但發泡時泡沫密度達到預期值只能說明整塊泡沫的宏觀平均介電常數達到預期值，由于發 泡工藝的特點，在微觀上很難保證材料處處均勻一致，因此在微觀上泡沫內一定大量存在 體積過大或過小的氣泡，從而使介電常數在微觀上出現波動，造成產品性能與預期出現偏 差，而且不同批次產品的性能偏差程度也不同，此外，根據散射效應，當泡沫內氣泡的直徑 大于Ξ分之一的入射波長時，也會造成龍伯透鏡性能顯著下降。同時，發泡法在模制過程中 珠料可能發生二次發泡，使得介電常數不易控制，均勻性降低。另外，發泡材料在模具冷卻 后發生收縮，從而導致在拼裝時相鄰的球殼之間會出現空氣間隙，進而對透鏡的性能產生 較大影響。因此，發泡法存在介電常數公差難W控制、內部不易均勻等難W克服的問題。
[0013] 龍伯透鏡天線作為一種電介質無源器件，具有體積小、重量輕、雷達截面積大、方 向圖和頻譜寬度大的優點，但其制作工藝難度高、過程繁瑣耗時、成本高、產品一致性差，限 制了其推廣和應用。 【實用新型內容】
[0014] 針對上述問題，本實用新型的目的是提供一種制作工藝簡單、成本低、使用效果好 的龍伯透鏡天線。 陽015] 本實用新型的目的是通過如下技術方案來實現的。
[0016] 1、一種龍伯透鏡天線，所述龍伯透鏡天線是半徑為R的完整球體，并且被設計為 包括介電常數彼此不同的η個同屯、層，球屯、層表示為第1層，第2個至第η個同屯、層按照半 徑由小到大的順序依次表示為第2個同屯、層至第η個同屯、層，其中，η為不小于3的整數， ri為球屯、層半徑；r。等于R江1為第i個同屯、層的半徑；優選的是，r 1為第i個同屯、層的外 表面半徑r。郝內表面半徑r。的平均值r Ai;l《i《η ;其特征在于：
[0017] 所述η個同屯、層中的第i個同屯、層的平均介電常數ε 1= 2-bi/R)2，所述η個同 屯、層中的至少一個同屯、層分布有空腔；
[0018] 所述η個同屯、層中具有空腔的每一個同屯、層中的空腔體積分數被設計成使得該 同屯、層的平均介電常數=該同屯、層材料的介電常數X (1-該同屯、層中全部空腔的體積分 數）+該同屯、層空腔中介質的介電常數X該同屯、層中全部空腔的體積分數。
[0019] 2、根據技術方案1所述的龍伯透鏡天線，其特征在于，所述空腔的任意一個截面 的周邊上的任意兩個點之間的距離都不大于目標入射電磁波波長的Ξ分之一，優選不大于 目標入射電磁波波長的四分之一，更優選不大于目標入射電磁波波長的五分之一。
[0020] 3、根據技術方案1或2所述的龍伯透鏡天線，其特征在于，所述η為3至100之間 的整數；優選的是，所述η為5至40之間的整數；更優選的是，所述η為6至20之間的整 數；最優選的是，所述η為8至12之間的整數。
[0021] 4、根據技術方案1或2所述的龍伯透鏡天線，其特征在于，所述η為不小于15的 整數，優選15至100之間的整數；更優選的是，所述η為20至100之間的整數；進一步優選 的是，所述η為40至100之間的整數。
[0022] 5、根據技術方案1或2所述的龍伯透鏡天線，其特征在于，所述空腔中的至少一部 分空腔獨立地具有設計的立體結構；可選的是，所述設計的立體結構為規則立體結構或者 不規則立體結構；另外可選的是，所述設計的立體結構為選自由下面立體結構組成的組的 任意一種或多種：多面形、球體、楠球體、圓柱體、圓錐體、圓臺體；另外可選的是，所述多面 體為具有4至20個面的多面體；另外可選的是，所述多面體為正多面體。
[0023] 6、根據技術方案1至4中任一項所述的龍伯透鏡天線，其特征在于，所述龍伯透 鏡天線通過增材制造的方法來制造，使得在所述η個同屯、層中的任意相鄰兩層之間沒有間 隙。
[0024] 7、根據技術方案1至6中任一項所述的龍伯透鏡天線，其特征在于，所述同屯、層 材料的介電常數小于3,優選為小于2. 5。
[00巧]8、根據技術方案1至7中任一項所述的龍伯透鏡天線，其特征在于，所述同屯、層材 料選自由熱塑性材料、光敏樹脂和陶瓷組成的組中的至少一種；更優選的是，所述熱塑性材 料包含選自由聚乳酸、聚丙締臘、丙締臘-下二締-苯乙締 Ξ元共聚物、聚芳基酸酬、熱塑性 氣塑料和熱塑性苯并環下締組成的組中的一種或幾種。
[00%] 9、根據技術方案1至8中任一項所述的龍伯透鏡天線，其特征在于，對于直徑 120mm的龍伯透鏡天線，該龍伯透鏡天線在9. 4GHz下，RCS值大于0地sm。
[0027] 10.技術方案1至9中任一項所述的龍伯透鏡天線在衛星通信、雷達天線、射電天