[發明專利]一種基于3D打印技術的龍伯透鏡設計方法

有效

• 申請號: 201710644631.0
• 申請日: 2017-08-01
• 公開（公告）號: CN107627611B
• 公開（公告）日: 2020-05-12
• 發明（設計）人: 束逸;張力;李志峰;李建華;劉佳琪;劉鑫;劉洪艷;高路;趙巨巖;杜潤樂;薛蓮;薛峰;趙茜;蔡雯琳
• 申請（專利權）人: 北京航天長征飛行器研究所;中國運載火箭技術研究院
• 主分類號: B29C64/386
• 分類號: B29C64/386;B33Y50/00;G06F30/20;B29L11/00
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 武瑩

一種基于3D打印技術的龍伯透鏡設計方法，首先選擇m種3D打印材料，確定龍伯透鏡單元類型、單元尺寸，根據龍伯透鏡等效介電常數、單元類型、單元尺寸確定得到龍伯透鏡單元各點的空隙率，然后根據得到的單元類型、單元尺寸、單元各點的空隙率構建對應的龍伯透鏡3D模型，并驗證當前龍伯透鏡3D模型是否滿足球體徑向折射率漸變分布，最后對滿足球體徑向折射率漸變分布的龍伯透鏡3D模型進行打印，生成龍伯透鏡。本發明方法與現有技術相比，通過使用3D打印技術實現龍伯透鏡的快速成型，具有打印精度高，能夠單獨控制每一個打印基元介電常數，實現真正的漸變折射率，保證產品性能的優點。

技術領域

本發明涉及一種基于3D打印技術的龍伯透鏡設計方法。

背景技術

龍伯透鏡(Luneberg lens)是以球形為基本形狀的介質透鏡，可以匯聚捕捉任意方向上的電磁波，使入射平面波匯聚于一點。通過在球體表面安裝金屬反射面，將匯聚電磁波沿著與入射路徑對稱的路徑反射出去，再次形成反向傳播的平面波，形成一種高效的RCS增強反射器，如圖1所示為龍伯透鏡原理示意圖。此外，基于其電磁波束匯聚能力，龍伯透鏡還用來實現低成本、高增益的微波透鏡天線。

龍伯透鏡的核心特性就是沿球體徑向折射率服從如下規律漸變分布：n＝[2-(r/R)2]1/2。經過多年的發展，已形成了不同介電常數多層球殼嵌套的傳統設計結構，如圖2所示為分層結構的龍伯透鏡結構示意圖。然現有技術受限于材料匹配、材料參數精度控制、成型工藝等因素，生產工藝冗長，生產成本高。

發明內容

本發明解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供了一種基于3D打印技術的龍伯透鏡設計方法，與現有技術相比能夠實現特定頻點、特定RCS指標龍伯散射體的快速設計和快速成形實現，有力提升了電磁目標特性設計水平和工藝實現水平，具有很好的實用價值。

本發明的技術解決方案是：一種基于3D打印技術的龍伯透鏡設計方法，包括如下步驟：

(1)選擇m種3D打印材料，確定龍伯透鏡單元類型、單元尺寸，然后根據龍伯透鏡等效介電常數、單元類型、單元尺寸確定得到龍伯透鏡單元各點的空隙率，其中，m種3D打印材料中至少一種材料的介電常數不大于1，至少一種材料的介電常數不小于2；

(2)根據得到的單元類型、單元尺寸、單元各點的空隙率構建對應的龍伯透鏡3D模型，并驗證當前龍伯透鏡3D模型是否滿足球體徑向折射率漸變分布，如果滿足，則轉入步驟步驟(3)，否則轉入步驟(1)，重新確定龍伯透鏡單元類型、單元尺寸；

(3)對龍伯透鏡3D模型進行打印，生成龍伯透鏡。

所述的驗證當前龍伯透鏡3D模型是否滿足球體徑向折射率漸變分布的方法包括如下步驟：

(1)產生平面電磁信號后發射至龍伯透鏡3D模型，并進行判斷；

(2)如果平面電磁信號被龍伯透鏡3D模型反射后仍為平面波且沿原發射路徑返回，則當前龍伯透鏡3D模型滿足球體徑向折射率漸變分布，否則當前龍伯透鏡3D模型不滿足球體徑向折射率漸變分布。

所述的龍伯透鏡單元包括正方體、圓環、錐體。

所述的構建對應的龍伯透鏡3D模型的實現軟件為OpenSCAD。

所述的正方體的構建方法為：

構建直角三緯坐標系，然后將球體劃分為多個形狀尺寸完全一致的正方體單元，其中，正方體單元的邊長小于所生成龍伯透鏡工作電磁波的波長的1/10。

所述的圓環的生成方法為：

(1)構建柱坐標系，然后將球體劃分為多個圓柱體；

(2)將各個圓柱體劃分為多個圓環。

所述的多個圓柱體的半徑為等差變化的。