[發明專利]適于3D打印的全介質多波束掃描龍勃透鏡結構及打印方法

有效

• 申請號: 201811615162.0
• 申請日: 2018-12-27
• 公開（公告）號: CN109687158B
• 公開（公告）日: 2020-04-21
• 發明（設計）人: 陳明繼;陳錦;林藝躍;宋維力;方岱寧
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: H01Q15/02
• 分類號: H01Q15/02
• 代理公司: 北京理工正陽知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 鄔曉楠

本發明公開的適于3D打印的全介質多波束掃描龍勃透鏡結構，屬于電磁超材料領域。本發明的適于3D打印的全介質多波束掃描龍勃透鏡結構為球形，球形龍勃透鏡由兩個3D打印半球形透鏡拼接而成；單個3D打印半球形龍勃透鏡結構包括支撐層、滿足龍勃透鏡折射率分布多層梯度結構層及滿足龍勃透鏡折射率分布多層梯度結構層中間隙的填充材料。本發明還公開全介質多波束掃描龍勃透鏡結構3D打印方法。本發明還公開全介質多波束掃描龍勃透鏡天線，將3D打印印得到的球狀全介質多波束掃描龍勃透鏡加上饋源，形成龍勃透鏡天線。本發明通過3D打印實現小尺度、多功能、超寬頻、高定向性的龍勃透鏡天線，具有能夠實現工業應用、輕量化結構的優點。

技術領域

本發明專利涉及適于3D打印的全介質多波束掃描龍勃透鏡結構及打印方法，屬于電磁超材料領域。

背景技術

多波束天線在毫米波無線通訊系統中具有重要作用，在衛星通訊系統，毫米波無源成像系統及飛機指揮塔雷達等領域被廣泛應用。這類應用場合對設計的多波束天線提出了嚴苛的技術要求，如：大角度范圍內的定向波束掃描，無慣性快速掃描與跟蹤，高增益與高口徑效率，適用于多種極化模式的電磁波等。結構緊湊，寬頻帶大角度毫米波多波束天線已是各國毫米波技術研發的重要方向。

傳統的多波束天線比較典型的有拋物面反射器，相控陣天線。拋物面天線波束覆蓋范圍小，波束差異性大，且在實現多目標追蹤時需要使用多副天線，極大的占據了艦載的有限空間，并需要同時轉動繁重的天線基座導致掃描速度較慢；相控陣天線能實現較快的掃描速度，但是其相移網絡復雜，成本高昂，損耗大，極大的限制了它的應用范圍。因此，研發小尺寸，低質量，小慣性，高增益，超寬頻，大角度范圍的多波束天線具有很重大的科研與工程意義

光學成像與聚焦領域的透鏡可將發散的電磁能量轉換為定向性波束，這為多波束天線的設計提供了全新的路徑，透鏡天線的寬頻，大角度范圍多波束掃描且饋電方式簡單等特性使其在多波束天線的設計中具有獨到的優勢。透鏡天線由低損耗介質材料加工完成，其雷達反射截面(RCS)小于同口徑的傳統天線。但是輕質均勻介質材料工藝上上的不成熟且可利用的高性能低損耗介質材料的種類極其有限，透鏡天線的發展在很大程度上受到了限制。

發明內容

本發明公開的基于3D打印的全介質多波束掃描龍勃透鏡要解決的技術問題是：提供一種適用于3D打印的全介質多波束掃描龍勃透鏡結構，通過3D打印實現小尺度、多功能、超寬頻、高定向性的龍勃透鏡天線，具有能夠實現工業應用、輕量化結構的優點。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的。

本發明公開的適于3D打印的全介質多波束掃描龍勃透鏡結構，龍勃透鏡為球形，所述球形龍勃透鏡由兩個3D打印半球形透鏡拼接而成。單個3D打印半球形龍勃透鏡結構包括支撐層、滿足龍勃透鏡折射率分布多層梯度結構層及滿足龍勃透鏡折射率分布多層梯度結構層中間隙的填充材料。支撐層位于水平大圓面上，垂直方向的大圓面剖面輪廓為二維半圓形，外形輪廓為二維半圓形的剖面結構由多層桿狀結構周向陣列而成，在外形輪廓為二維半圓形的剖面上單個桿狀結構的寬度沿徑向呈由粗到細梯度變化。通過調節單個梯度桿狀結構的空間填充率f，使多層桿狀結構周向陣列的等效折射率n滿足多層均勻離散的龍勃透鏡折射率分布，其中龍勃透鏡折射率分布為其中r為距透鏡球心的距離，R為三維球形龍勃透鏡的半徑，n為折射率，ε_eff為等效介電常數，等效介電常數ε_eff＝ε_dielectric×f+ε_air×(1-f)，ε_dielectric為選用介質材料的介電常數，ε_air為空氣的介電常數，f為梯度桿狀結構的空間填充率。通過旋轉多層桿狀結構周向陣列得到由多個旋轉錐體組合而成滿足龍勃透鏡折射率分布多層梯度結構層。在滿足龍勃透鏡折射率分布多層梯度結構層之間的空隙填充支撐材料，實現支撐層、滿足龍勃透鏡折射率分布多層梯度結構層及滿足龍勃透鏡折射率分布多層梯度結構層中間隙的填充材料組成的單個3D打印半球形透鏡結構。