多波束天线阵列中龙勃透镜（Luneburg Lens）技术_ACT_光学_电子_ANSA_通信_材料

多波束天线阵列中龙勃透镜（Luneburg Lens）技术

对无缝连接和更高数据速率的需求不断增长，推动了向异构空间和地面网络的转变，以及对K波段等更高频段的利用。在此背景下，低地球轨道（LEO）高通量卫星通信（SATCOM）需要更先进的技术保持空间和地面段的连接。具有宽覆盖范围的多波束架构尤为重要，因为该技术可以减少卫星上的天线数量。其中龙勃透镜可以创建具有不同方位角方向的平面波前，而不会遭受扫描损失，使其成为一项多波束广角扫描阵列中重要的技术。

Luneburg 透镜是由美国数学家鲁道夫·卡尔·卢纳伯格（Rudolf Karl Lüneburg）在1944年提出的一种特殊透镜。它是一种由若干层介电常数不同的材料制成的介质球，这些材料的折射率从1渐变到根号2。龙伯透镜能够将任意方向的光（或电磁波）聚集到球心对称的一点，或者将照射在透镜上的电磁波通过透镜聚焦在金属反射面的内表面上，再经过反射，将反射波通过透镜返回发射源方向。

Luneburg 透镜的特性：
球形结构：龙伯透镜是一个完整的球形透镜，这使得它可以接收和聚焦来自各个方向的电磁波。
渐变折射率：透镜从外到内材料的介电常数是梯度变化的，每层材料的折射率不一样，这种特性使得电磁波在透镜内部发生折射和聚焦。
增益效果：龙伯透镜可以提供增益效果，将单个天线单元的低增益、宽波束的电磁波信号汇集成高增益、窄波束的电磁波信号。

反射 Luneburg 透镜（RLL）

传统平面 Luneburg 透镜和 RLL 透镜中光线路径之间的差异如下图所示，

RLL由两个堆叠的平行板波导（PPW）组成，其中由底部平行板外围的点源发射的光线 [右图中的红线] 首先在金属边界上反射，然后耦合到上层均匀层形成平面波前[右图中的黑线]。

RLL能够实现方位角扫描，同时开辟了新的可能性，使紧凑型扫描天线的设计成为可能，而且它具有更大的扫描范围。

RLL结构可以应用于各种光学、太赫兹和微波器件。RLL 中的顶部 PPW 可以容纳一个辐射孔径，以便在仰角上也准直光束，同时保持透镜的总占用空间。

若将 RLL 与旋转棱镜、线性相位超表面（MTS）或连续横向短截线（CTS）阵列耦合，以扫描仰角光束。通过这种方式，可以实现具有多个控制点的二维光束扫描，这些控制点仅与平面结构的自由空间波长周长成正比，而与波长平方中的面积不成比例。因此，相关电子元件的复杂性和成本大大降低。这是平面 Luneburg 透镜不能提供的独有的优势。

传统龙勃透镜和RLL射线路径的分析

下图（a）表示传统Luneburg透镜中的光线路径，（b）表示RLL中的光线路径

上图（a）（2ξ（R）<π）和图（b）（2Т（R，>π）中光线路径的两种情况在光线聚焦方面有很大不同。

当2ξ（R）<π时，离开透镜的全等光线可能平行于x轴。这种光线行为是在传统的Luneburg透镜中发现的。

然而，当2ξ（R）>π时，图（a）中的透射射线同余是不可能的。相反，通过在透镜边缘放置一个完美电导体（PEC）的圆柱形壁，可以在反射中获得2ξ（R）>π的光线同余。如图（b）所示，对应于RLL。

斯涅尔定律应用于透镜边缘，意味着对于图（a）所示的透射配置，n0sinα=n1sinφout。

将图（b）中的反射光线解释为透射到具有均匀折射率n1的上部PPW中，相同的表达式也适用于反射，但光线路径长度的界限不同。

因此，可以写出传统龙勃透镜和RLL的条件，

参考文献

[1] J. Ruiz-García, E. Martini, C. D. Giovampaola, D. González-Ovejero and S. Maci, "Reflecting Luneburg Lenses," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 69, no. 7, pp. 3924-3935, July 2021, doi: 10.1109/TAP.2020.3044668.

[2] C. Bilitos, X. Morvan, R. Sauleau, E. Martini, S. Maci and D. González-Ovejero, "Series Dual-Fed Continuous Transverse Stub Array With Enhanced Multibeam Operation Enabled by a Reflective Luneburg Lens," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 72, no. 11, pp. 8420-8432, Nov. 2024, doi: 10.1109/TAP.2024.3439891.

来源：微波工程仿真

大型相控阵中的子阵列技术

子阵列技术是一种在大型矩阵或阵列中，通过选取一部分元素组成较小的矩阵或阵列的技术。子阵列技术是一种重要的权衡方法，在实现大型相控阵时协调辐射性能和制造成本，在雷达和通信系统等不同领域都有广泛的应用。目录子阵列的实现 RS和UA方案参考文献SubarrayAs shown below👇子阵列的实现子阵列是指在一个大型矩阵或阵列中，由一部分元素（行、列或两者的组合）组成的较小的矩阵或阵列。在天线阵列系统中，子阵列技术被用于优化阵列性能。例如，在长电偶极子阵列中，通过优化阵元间距和子阵列配置，可以提高阵列的辐射效率和方向性。子阵列的实现包括两个方面，即天线元件的利用和馈电网络的设计。对于子阵列相同并以统一方式排列的常规子阵列，实施很简单，因为子阵列、相应的馈电网络和极化方向是相同的。关于不规则子阵列，根据天线元件及其相应的馈电网络的布置，其实现可以分为两种方法：旋转子阵列（RS）方案和均匀阵列（UA）方案，如图 *旋转子阵列（RS）方案是通过根据子阵列的旋转旋转馈电网络来实现的。通过这种方式，确保了子阵列天线（天线层和馈电层）的结构重复性，从而促进了子阵列的模块化，因为它们共享相同的馈电网络结构。基于 RS 方案，天线元件的电场会随着子阵列的旋转和翻转而发生旋转和镜像，导致在实际场景中出现无序的极化方向和扭曲的阵列模式。但这个问题被忽视了，因为目前的大多数研究都集中在由点源构建的子阵列上。均匀阵列（UA）方案涉及使用均匀间隔的数组。通过以统一的方式排列元件，阵列中所有元件的极化方向变得同步。 UA 方案现在被广泛采用，然而，子数组结构的结构重复性受到了影响，因为子数组不再具有旋转对称性。如上节图右所示，UA 方案在 L-tetromino 子数组中的实现，四个子数组是旋转对称的，而单元是均匀定向的。这导致元素及其相应的馈送点在四个子数组中具有不同的相对位置，从而影响了子数组的结构重复性。因此，这种方法需要为不同的子阵列使用不同的馈电网络，因为馈电点是非旋转对称的，导致模块化无法实现并显著增加工作量，尤其是在使用更复杂的子阵列时。这些问题限制和阻碍了子阵列天线在实际场景中的实际应用。参考文献 [1] X. Yang, P. Wu, Y. Zhao, B. Wang, Z. Nie and D. Yang, "Subarray Implementation via Phase Compensation in Circularly Polarized Arrays," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 72, no. 11, pp. 8385-8393, Nov. 2024, doi: 10.1109/TAP.2024.3408230. 来源：微波工程仿真