期待5G天线的飞跃：关于龙伯透镜天线

习近平总书记在十九大报告中指出：

“加快发展先进制造业，推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合”。

目前，我国在移动互联网与物联网方面已走在世界前列，并派生出很多新的业态与应用。比如移动支付、共享单车等等。以共享单车为例，我们用起来很方便，是因为包含了定位、扫码、移动支付等新兴技术在里面。

这些新应用能够快速普及的基础——移动通信的快速发展。

我们离5G越来越近了，期许的同时有一个现实的问题：

别说5G了，就是目前的4G信号都不太稳定！！！

手机上的4G信号经常由四格五格变成两格，甚至有时候都能退回到了2G时代。原因很多，其中一个重要原因是网络优化做的不到位，犄角旮旯没有覆盖到。不严格地讲，在移动通信中网络优化是通过不同硬件或软件技术使移动网络性能达到我们需要的水平的一种方法。其实，随着城市高楼大厦的不断耸起，人员不断地在工作地与居住地之间的潮汐往复，原有的网络覆盖必须要不断优化、减少盲点以适应新的形势变化。

在网络优化中，一个关键的设备就是天线。

通俗点说，无论是基站还是手机，天线都是充当发射信号和接收信号的中间件。通信、雷达、导航、广播、电视等无线电设备都需要有无线电波的发射和接收，用来发射和接收信号的装置就是天线。

移动通信天线是什么？

大家对天线应该不陌生，常见的移动通信天线就是架在铁塔上或者高楼上的，向着不同方向的一片片的小板子。我们使用的手机也有天线的，我们只是看不到了而已。不知道大家还记得不？原来的很多2G手机都是有外置天线的，有些外置天线还是可伸缩的，后来技术越来越进步，手机的天线越做越小了，最后集成到手机里面了。

我们看到的通信天线一般都是基站板状天线，属于定向天线的一种。这种天线的优点是增益相对较高、扇形区方向图好、垂直面方向图俯角控制方便等。但是其选型和设置相对复杂，根据覆盖要求、流量分布、抗干扰要求等，需严格的调整下倾角、方向角、天线挂高、天线分集距离和隔离距离等参数。

从课本里经常学到的另外一个跟天线有关的技术是龙伯透镜技术，用其做成的天线为龙伯透镜天线。这种天线专业人士大部分都知道，也有一定的应用场景，比如卫星通信天线等，在移动通信领域的应用并不多见。在移动通信进入5G时代的时候，原有的板状天线虽然可以满足要求，但这是在损失体积、重量、能耗的等方面要求后达到的，寻找增益高、流量大、体积小、重量轻、能耗低的天线技术与天线产品就显得尤为重要。龙伯透镜天线技术重新回到了人们的视野。

先说说龙伯透镜，对了，猜对了，可以类似的理解为应用了透镜原理、放大镜原理的一个应用于天线领域的技术成果。专业点讲，龙伯透镜是一种层状结构的介质球，其外层的介电常数与空气相同或相近，越向球心介电常数越大，这样构成的龙伯透镜能把截获的电磁波聚集到一起，当平面波入射透镜上时，经透镜而被聚焦到与此平面波前垂直的直径的另一端。同样，在这一点放置一馈源就能在球天线口面上形成平面波发射出去。用这个技术做成移动通信天线就是龙伯透镜天线，由于聚焦的介质一般都是球状的，因此一般也都称为龙伯球天线。

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70年的历史。经过专家们的不断更新和改良，现在这项电介质透镜天线技术被用来制造低成本、高增益和易于操作的微波天线，少量应用于卫星通信等领域。

说到这儿，估计大家都会有一个疑问，就是从原理上讲这种技术并不复杂，从网上度娘一下也有很多介绍，包括原理、技术与产品应用等等。度娘后发现在一般的介绍移动通信天线的内容中，不管是有点教学特性的各种PPT文档还是介绍移动天线产品研发、应用的文章都很少介绍龙伯透镜天线，好像在移动天线领域的专家们都对龙伯透镜天线“熟视无睹”。为什么呢？

介质、介质，还是介质！

经过与一些天线领域的专业人士沟通，发现一个问题，就是大家都知道龙伯透镜天线这回事儿，但是很少在移动通信天线领域应用生产。大部分都提到在美国有人试验这个东西，但是没听说谁家大面积应用。主要原因是什么呢？是材料的问题。龙伯透镜天线最大的难点在材料，就是天线介质。没有可以低成本生产型的天线介质，说啥都没用。

龙伯透镜根本上就是由介质材料做成的圆球体，它的作用是将不同角度传播的电磁波会聚到“镜片”表面的一点。在球体表面无限靠近的部分，选择材料的介电常数为1，这与大气的介电常数一样。在球体中间部分，选择材料的介电常数为2，而且从球体表面到中间材料的介电常数是渐变的，是位置函数。这种在保证大容量通信天线应用的情况下，还要生产成本低，体积小，材料性能稳定，不是一件容易的事情。

还记得美国总统特朗普宣誓就职的画面吗？

在其后方有一个大球，就是一种移动通信天线——龙伯球天线，多波速龙伯球透镜天线。总统就职，为什么会出现这种天线？因为原有的天线要覆盖人口密集的总统宣誓区域，完成巨量的数据通信需求，体积太大，成本也不低。而龙伯球这种多波束、多频段天线就很好地解决了这个问题。

龙伯球天线从原理上讲，并不是一个多么特殊的东西，但是由于其对产品介质的特殊要求，至今全世界正式商用的很少，所以特朗普宣誓就职的画面出现这种天线引起了通信设备界的极大关注。

据了解，我国天线界的教父级人物肖良勇教授已经发明了一种超宽频、超轻、超低能耗的人工合成电介质新材料，做成了龙伯柱天线，很好的同时解决了有关天线的很多难题。为什么是龙伯柱，而不是龙伯球，没搞懂，估计这需要肖教授出来给大家解释一下了，哈哈。

但是，不管怎么说，肖老爷子的这个发明专利的确很好的解决了天线应用领域的这一大难题，不单单是在实验室，已经计划处于生产中。我们姑且称之为“肖氏龙伯柱天线”。这种天线的特点很多，主要包括：

超性能：该龙伯柱天线在1/2立方体内高度集成20多个波束的超大容量高增益小型化全向/扇区天线，从现有的900M/1800M，到28G的毫米波，性能都是杠杠的；

超轻型：介质材料就像海绵体，轻轻的，软软的，做成的天线重量主要集中在外围的包装材料与发射馈源上了；

体积小：在5G应用上，一般的基站板状天线只能一片一片的往上加了，这种天线一个柱体搞定；

低能耗：由于省去庞大的馈电网络体系，不仅提升了天馈效率，而且能源消耗大大下降，据称能耗可以下降一半左右；

易安装：由于重量轻、体积小、馈线少等特点，这种龙伯柱天线对支撑的要求大大降低，不排除直接安装在电线杆上的可能；

应用广：由于以上提到的各种特点，未来的应用，在移动通信天线上只是其一，其他的应用比如WIFI，比如体育场、演唱会馆的移动车，甚至在一些军品上估计都会有广泛的应用。

华为的任老爷子说，宽带要低成本，只有成本低，用这个宽带的人才会多，用的人越多，宽带越会低成本。再过五年，AI、AR、VR变成现实以后，还会要求低延时。这两个命题，都是人类面临的太大的命题，我们已经有希望走在前面。

不知道肖氏龙伯柱天线算不算任老爷子说的“希望”与“走在前列”了。

就在写完这篇文章的时候，西安海天天（08228.HK）发布了一个公告（2017年12月27日），海天天公司与肖氏天线、苏州海天及西电科大微波研究所共同研制了26GHz频段的5G毫米人工介质透镜多波束天线，并于2017年12月18日完成了路测试验。该路测试验数据表示该介质透镜多波速天线完全适用于5G传输系统，根据目前公开信息查询情况来看，此乃是在中国境内的首次成功测试。也许这个公告就是对这三篇文章最好的诠释吧。