一种龙伯透镜天线的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型设及通信领域，更具体地说，设及一种龙伯透镜天线。
【背景技术】
[0002] 龙伯透镜天线W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），其球屯、处的介电常数=2。球体从表面到中屯、材质的介电常数是渐变的，其 变化规律为￡f(r) =2-(r/R)2(0《r《R)，其中，r为当前位置到球体中屯、的距离，R为龙 伯透镜天线的半径。
[0003] 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W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W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。
[0004] 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、祀的标定、救援等方面。 阳〇化]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、祀机、祀弹、汽车防撞雷达等的天线部件。
[0006] 理论上，用于龙伯透镜天线的材料的介电常数从球屯、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运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。
[0007] 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，透镜的福射特性也不是最佳，一直没有得到广泛应用。
[0008] 2003 年，S6bastien R ondineau 等（S6bastien R ondineau 等.Asliced spherical luneburg lens. IEEE Antennas Wireless Propagat. lett. 2003,2 :163-166) 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，W期达到所需的介 电常数。运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。运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%。
[0009] 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。
[0010] 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，然而运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。
[0011] 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W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。
[0012] 现有技术中通过发泡法制造龙伯透镜天线所使用的材料通常为聚苯乙締泡沫。可 通过控制泡沫密度来控制其内的空气体积分数，从而控制其宏观平均介电常数为预期值。 但发泡时泡沫密度达到预期值只能说明整块泡沫的宏观平均介电常数达到预期值，由于发 泡工艺的特点，在微观上很难保证材料处处均匀一致，因此在微观上泡沫内一定大量存在 体积过大或过小的气泡，从而使介电常数在微观上出现波动，造成产品性能与预期出现偏 差，而且不同批次产品的性能偏差程度也不同，此外，根据散射效应，当泡沫内气泡的直径 大于Ξ分之一的入射波长时，也会造成龙伯透镜性能显著下降。同时，发泡法在模制过程中 珠料可能发生二次发泡，使得介电常数不易控制，均匀性降低。另外，发泡材料在模具冷却 后发生收缩，从而导致在拼装时相邻的球壳之间会出现空气间隙，进而对透镜的性能产生 较大影响。因此，发泡法存在介电常数公差难W控制、内部不易均匀等难W克服的问题。
[0013] 龙伯透镜天线作为一种电介质无源器件，具有体积小、重量轻、雷达截面积大、方 向图和频谱宽度大的优点，但其制作工艺难度高、过程繁琐耗时、成本高、产品一致性差，限 制了其推广和应用。 【实用新型内容】
[0014] 针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种制作工艺简单、成本低、使用效果好 的龙伯透镜天线。 阳015] 本实用新型的目的是通过如下技术方案来实现的。
[0016] 1、一种龙伯透镜天线，所述龙伯透镜天线是半径为R的完整球体，并且被设计为 包括介电常数彼此不同的η个同屯、层，球屯、层表示为第1层，第2个至第η个同屯、层按照半 径由小到大的顺序依次表示为第2个同屯、层至第η个同屯、层，其中，η为不小于3的整数， ri为球屯、层半径；r。等于R江1为第i个同屯、层的半径；优选的是，r 1为第i个同屯、层的外 表面半径r。郝内表面半径r。的平均值r Ai;l《i《η ;其特征在于：
[0017] 所述η个同屯、层中的第i个同屯、层的平均介电常数ε 1= 2-bi/R)2，所述η个同 屯、层中的至少一个同屯、层分布有空腔；
[0018] 所述η个同屯、层中具有空腔的每一个同屯、层中的空腔体积分数被设计成使得该 同屯、层的平均介电常数=该同屯、层材料的介电常数X (1-该同屯、层中全部空腔的体积分 数）+该同屯、层空腔中介质的介电常数X该同屯、层中全部空腔的体积分数。
[0019] 2、根据技术方案1所述的龙伯透镜天线，其特征在于，所述空腔的任意一个截面 的周边上的任意两个点之间的距离都不大于目标入射电磁波波长的Ξ分之一，优选不大于 目标入射电磁波波长的四分之一，更优选不大于目标入射电磁波波长的五分之一。
[0020] 3、根据技术方案1或2所述的龙伯透镜天线，其特征在于，所述η为3至100之间 的整数；优选的是，所述η为5至40之间的整数；更优选的是，所述η为6至20之间的整 数；最优选的是，所述η为8至12之间的整数。
[0021] 4、根据技术方案1或2所述的龙伯透镜天线，其特征在于，所述η为不小于15的 整数，优选15至100之间的整数；更优选的是，所述η为20至100之间的整数；进一步优选 的是，所述η为40至100之间的整数。
[0022] 5、根据技术方案1或2所述的龙伯透镜天线，其特征在于，所述空腔中的至少一部 分空腔独立地具有设计的立体结构；可选的是，所述设计的立体结构为规则立体结构或者 不规则立体结构；另外可选的是，所述设计的立体结构为选自由下面立体结构组成的组的 任意一种或多种：多面形、球体、楠球体、圆柱体、圆锥体、圆台体；另外可选的是，所述多面 体为具有4至20个面的多面体；另外可选的是，所述多面体为正多面体。
[0023] 6、根据技术方案1至4中任一项所述的龙伯透镜天线，其特征在于，所述龙伯透 镜天线通过增材制造的方法来制造，使得在所述η个同屯、层中的任意相邻两层之间没有间 隙。
[0024] 7、根据技术方案1至6中任一项所述的龙伯透镜天线，其特征在于，所述同屯、层 材料的介电常数小于3,优选为小于2. 5。
[00巧]8、根据技术方案1至7中任一项所述的龙伯透镜天线，其特征在于，所述同屯、层材 料选自由热塑性材料、光敏树脂和陶瓷组成的组中的至少一种；更优选的是，所述热塑性材 料包含选自由聚乳酸、聚丙締腊、丙締腊-下二締-苯乙締 Ξ元共聚物、聚芳基酸酬、热塑性 氣塑料和热塑性苯并环下締组成的组中的一种或几种。
[00%] 9、根据技术方案1至8中任一项所述的龙伯透镜天线，其特征在于，对于直径 120mm的龙伯透镜天线，该龙伯透镜天线在9. 4GHz下，RCS值大于0地sm。
[0027] 10.技术方案1至9中任一项所述的龙伯透镜天线在卫星通信、雷达天线、射电天