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龙勃透镜百科

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龙勃透镜，也叫龙伯透镜或伦伯透镜，英文名Luneburg lens。

这种透镜的模型，最早是1944年由美国数学家鲁道夫·卡尔·卢纳伯格（Rudolf Karl Lüneburg）提出的。龙勃，也就是卢纳伯格。

卢纳伯格1903年生于德国，在哥廷根（Göttingen）获得博士学位，1935年移居德国，擅长数学和光学。他的著作《Mathematical Theory of Optics（光学的数学理论）》在学术界占有一席之地。

龙勃透镜是透镜的一种。说到透镜，大家应该比较熟悉，例如凸透镜、凹透镜，可以对光线进行汇聚和发散。

龙勃透镜比较特殊，它是一个完整球形的透镜，如下图所示：

龙勃透镜

它可以将入射的特定波长的电磁波汇聚，汇聚到球面上的某一个点。同样的，它也可以将电磁波沿着原方向反射回去。

入射与反射

大家会发现，电磁波（光线）在球体中发生了“拐弯”的现象。

是的，如果球体是均匀的同类介质，里面的电磁波（光线）是不可能“拐弯”的。龙勃透镜模型的一个重要前提，就是球体从外到内材料的介电常数是梯度变化的。

看不懂？别慌！简单理解，它就像一个洋葱结构，从外到内，是一层一层的。每层材料的折射率不一样，从而导致了电磁波（光线）的拐弯。

洋葱结构（层数越多，效果越理想）

在自然界中并不存在这样的天然材料。在1944年，以当时的材料和工艺水平，也造不出完美的透镜实物。

但是，龙勃透镜很有用。为什么有用？因为龙勃透镜可以让任何方向入射的电磁波，都会汇聚到球面上的某一个点上。

这适合什么用途？没错，天线。

只要在球体表面放上馈源，就可以产生很好的增益效果。让信号朝指定的方向辐射，也可以接收指定方向过来的信号。

龙勃透镜天线的辐射效果演示

进入50年代之后，越来越多的学者参与到对龙勃透镜的研究之中。

1958年，G.Peeler等人搞出了几种龙勃透镜天线的分层方法，并设计出了一些二维和三维的龙勃透镜天线模型，算是比较突出的成果。

但是，还是因为材料和工艺的原因，相关研究无法取得更大的进展，逐渐陷入停滞。

60年代的时候，美国人曾经尝试将龙勃透镜引入军用领域。

当时，美国研发宙斯盾系统遇到瓶颈，于是，搞了一个“提丰”舰空导弹计划。计划里面的SPG-59雷达，就是基于龙勃透镜的原理。

SPG-59结构及实物

不过，雷达造出来之后并没有达到理想的效果，天线增益太低，探测能力太弱，最终也是无疾而终。

SPG-59雷达内部的复杂馈源阵列和导线

进入90年代，随着材料和加工制造工艺水平的成熟，人们重新开始启动对龙勃透镜的研究。这一期间，不管是理论研究，还是实物制造，都有了不少突破。

值得一提的是瑞典学者John R.Sanford。他在94-95年发表了多篇文章，对龙勃透镜天线理论的发展做出了重大贡献。

进入21世纪之后，陆续有学者造出了性能良好的天线原型。产业界方面，也开始有了实用型产品问世。

2004年，日本JSAT株式会社与住友电气工业株式会社联合推出了“Lune-Q”新型龙勃透镜天线系列。该天线系列主要用于卫星通信，可以接收多个卫星信号。

相比传统抛物面卫星天线，龙勃透镜天线具有良好的耐风性能。

后来，住友电气又把龙勃透镜天线用在测风雷达上。

测风雷达天线

法国也曾经尝试在高速列车上安装龙勃透镜天线，以接收卫星电视信号。

澳大利亚还开建了一个占地一平方公里的射电天文龙勃透镜天线阵列（SKA），用到了2000多个透镜单元，非常壮观。

SKA阵列（2008年开建，2018年完工）

再之后，龙勃透镜天线的发展出现了三个重要的机遇。

第一个，是3D打印技术的不断成熟。

3D打印，更好地解决了透镜天线制造工艺的问题，也大幅降低了成本。这相当于拉低了透镜天线的制造门槛。

3D打印的龙勃透镜天线

第二个，是军用隐身技术的快速发展。

进入21世纪之后，世界列强大力发展五代战斗机，还有各种隐身战舰，非常强调隐身性能。

由于龙勃透镜对平面波束的聚焦特性，当雷达波通过该透镜时，透镜的雷达反射截面积比其物理截面要大很多。因此，龙勃透镜被广泛用于制造雷达反射器，用于提高武器自身雷达反射截面积。

例如，我们国家最先进的隐身飞机歼-20，就会挂载龙勃透镜。如果不挂，连自己的雷达都发现不了，无法进行有效指引。

歼20挂载的龙勃透镜

龙勃透镜

第三个，是毫米波技术的快速发展。

毫米波通信需要天线有更高的增益，更好的波束能力，而龙勃透镜天线非常擅长。

借此机遇，龙勃透镜天线开始逐渐在移动通信领域进行应用。

2015年，美国运营商AT&T在芝加哥的一次音乐节上，使用了一种名为“Giant Eyeball（大眼球）”的新型天线，就是一种龙勃透镜天线。据说该天线效果显著，可以提供比传统单波天线多10倍的容量。

Giant Eyeball（大眼球）

2018年，美国的科技初创公司

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