CN102975383B - 一种基于混合液体介质的梯度折射率微波器件的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于混合液体介质的梯度折射率微波器件的制备方法，其所用的液体介质由介电常数不同的液体混合形成，通过调节不同液体的混合比例从而实现混合液体介质电磁波折射率的可控。根据需求对微波器件框架结构进行设计，并采用快速成形技术实现微波器件框架结构的快速制造，将具有不同折射率的混合液体介质灌入到设计好的框架结构中即可得到所需的微波器件，通过液体介质的快速更换，获得性能可调的微波器件。本发明所提出的微波器件具有超宽频、低损耗、性能可调、易于制备和造价低等优点。

Description

一种基于混合液体介质的梯度折射率微波器件的制备方法

技术领域

本发明属于梯度折射率材料领域，涉及一种基于混合液体的梯度折射率材料，尤其涉及一种基于混合液体的梯度折射率微波器件的制备方法。

背景技术

梯度折射率介质（GRIN）是一类折射率在径向、轴向或径轴混合向按一定规律分布的材料。梯度折射率微波器件是指采用梯度折射率介质制成的具有特殊传输特性的器件。梯度折射率器件的使用，可以大大简化光学系统、消除相差、减轻重量，在完美光学成像、高增益卫星通讯以及信息传感方面拥有潜力巨大的应用前景。从1854年Maxwell首先提出折射率相对一点呈球对称分布的Maxwell鱼眼透镜以来，这种具有重要意义的梯度折射率器件就引起了人们的广泛关注。

梯度折射率理论的提出和完善，为微波光学器件的设计提供了一种新的思路和方法。加入梯度折射率材料，就相当于在微波器件的设计中引入了一个可以调节的变量。1944年，Luneburg在研究鱼眼透镜的基础上，提出了Luneburg透镜的模型。此后，J.Sochacki等人将Luneburg透镜加以推广，提出了改进的Luneburg透镜模型，该模型使得梯度折射率微波器件向实用化方向迈进了一步。但是由于当时确定光学元件内部折射率的最优分布的计算技术发展缓慢，直到1969年左右，日本板玻璃公司的北野等人才利用离子交换技术首次成功制备出梯度折射率玻璃材料，自此，这一技术才真正进入实际应用研究。其中，利用无机材料制作梯度折射率材料的研究发展较快。采用的无机材料种类也较多，主要有玻璃、锗砷、硫和硒的化合物，氯化钠，氯化银和氮化硅等。采用离子交换法制成的玻璃梯度折射率棒已经达到实用化。玻璃梯度折射率材料的优点是通透率高，折射率范围大，色差相差小，分辨率较高。缺点是比重大，强度差，制作过程较复杂。

近年来，科学家在梯度折射率元件的制备工艺方面进行了广泛而深入的研究，为了获得所需要性能的梯度折射率器件，研究人员曾对各种可能的制备工艺进行了尝试。其中研究最多的是离子交换法、溶胶凝胶法、化学气相沉积法和有机物聚合工艺，除此之外，还有离子填充法、晶体生长法和中子辐照法等。其中，离子交换法是迄今研究者们研究最为深入的方法，也是最早获得实际应用的方法，它具有成本低，控制过程简单等特点，这种技术是在光通信材料、光纤制造和梯度折射率透镜材料制造方面较为广泛采用的，但不是所有的折射率分布都可以通过离子交换法实现，在制造几何尺寸较大的径向梯度折射率时仍然存在一些问题，另外它的生产能耗大，折射率变化范围小，因此其应用仅限于微型光学系统。

溶胶凝胶法是1986年Yamne等人提出的，先把基质玻璃和掺杂物质溶解呈溶胶液体，做成棒状，再溶出其中的掺杂物质，以实现梯度分布的折射率。它可以做大口径梯度折射率的材料，但是生产时对折射率和尺寸的控制比较困难，工艺控制要求严格，且耗时长。离子填充法可以得到大尺寸的梯度折射率材料，但是制作过程复杂，不易实用化。

总结现有的制备工艺可以发现，梯度折射率微波器件的制备主要面临三个困难：一是过高的制作成本和复杂的制作工艺，二是有限的折射率变化范围，三是所用介质的电磁波损耗大。解决这三个问题是梯度折射率微波器件实现真正意义上的工程应用的关键步骤，因此，在考虑制作成本的同时，必须解决成型工艺、折射率可调范围、能量损耗上的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种基于混合液体介质的梯度折射率微波器件的制作工艺，通过改变液体的组分可实现微波器件电磁传播性能的可调性，即实现微波在其中传播时折射率在一定范围内可调均匀变化。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于混合液体介质的梯度折射率微波器件的制备方法，包括以下步骤：

1）根据梯度折射率微波器件的电磁波工作频段和辐射特性，确定其折射率的空间分布图，并对所得的折射率空间分布图按相应的离散单元大小进行离散处理，得到每个离散单元层的等效电磁波折射率；

2）根据离散处理结果，利用光固化快速成形技术，以液体光固化树脂为原料，采用分层光固化的方法制备梯度折射率微波器件的树脂框架结构；

3）将具有不同电磁波折射率的非磁性液体的混合，通过非磁性液体的混合比例得到具有不同电磁波折射率的混合液体；

4）按照树脂框架结构中各离散单元对等效电磁波折射率的要求，分别注入具有对应电磁波折射率的混合液体；然后在树脂框架结构的轮廓外加装金属反射板，得到梯度折射率微波器件。

所述混合液体的电磁波折射率n由如下公式计算其中ε为混合液体的介电常数，介电常数由介电常数检测装置对混合液体进行检测而获得。

进一步的，建立混合液体的混合比例与介电常数相对应的曲线，由树脂框架结构中各离散单元对等效电磁波折射率的要求而获得对介电常数的要求，然后根据得到的曲线找出混合液体的混合比例，按照要求进行配比后进行注入。

所述的注入是将具有对应电磁波折射率的混合液体注满所对应的树脂框架层中，然后将开口处用树脂薄膜盖密封，以免混合液体泄露。

所述在灌装制作好的透镜外部紧贴树脂框架层加上与树脂框架轮廓相一致的金属反射板，以减少后向辐射和边缘散射。

一种基于苯和乙腈混合液体介质的梯度折射率平面透镜的制备方法，包括以下步骤：

1）根据梯度折射率平面透镜的电磁波工作频段和辐射特性，得到梯度折射率平面透镜的折射率分布方程为：

$n\left(y\right)=n_0-\frac{y\sin \mathrm{\θ}+\sqrt{a^2+y^2}-a}{t};$

式中n₀为积分常数，为y＝0处的折射率，取任意正数；t为梯度折射率平面透镜的宽度，信号发生源放置于距离透镜a处，θ为电磁波经过梯度折射率平面透镜的入射与出射的角度差；

并对所得的折射率空间分布图按相应的离散单元大小进行离散处理，得到每个离散单元层的等效电磁波折射率；

2）根据离散处理结果，利用光固化快速成形技术，以液体光固化树脂为原料，采用分层光固化的方法制备梯度折射率微波器件的树脂框架结构；

3）将苯和乙腈按照一定比例充分混合均匀，由介电常数检测装置得到混合液体的介电常数和介电损耗随液体组成成分比例变化的曲线；

4）按照树脂框架结构中各离散单元对等效电磁波折射率的要求，由如下公式计算得到其对混合液体的介电常数的要求，其中，n为电磁波折射率，ε为混合液体的介电常数；

然后根据步骤3）所得曲线找出各介电常数值所对应的苯和乙腈的配比参数；

5）按照步骤4）的配比参数配制出具有不同介电常数的苯和乙腈的混合液体，注入相应的树脂框架单元中；

6）再将树脂框架放入和平板透镜等大小的铝制电磁波反射壳中，得到梯度折射率平面透镜。

所述的宽频梯度折射率平面透镜关于x轴对称，长度为250.8mm，宽度为60.8mm，信号发生源放置于距离透镜125.4mm处，树脂框架厚度为0.3mm，工作频段为12～18GHz。

一种基于苯和乙腈混合液体介质的平面龙伯透镜的制备方法，包括以下步骤：

1）平面龙伯透镜包括底部和离散单元，底部为一平板，离散单元的介质的介电常数由内到外连续变化且在透镜边缘处阻抗匹配；

2）根据离散处理结果，利用光固化快速成形技术，以液体光固化树脂为原料，采用分层光固化的方法制备平面龙伯透镜的树脂框架结构；

3）将苯和乙腈按照一定比例充分混合均匀，由介电常数检测装置得到混合液体的介电常数和介电损耗随液体组成成分比例变化的曲线；

4）按照树脂框架结构中各离散单元对等效电磁波折射率的要求，介电常数由内到外从17.5到2.5以1为步长均匀递减，最外层为空气层；

然后根据步骤3）所得曲线找出各介电常数值所对应的苯和乙腈的配比参数；

5）按照步骤4）的配比参数配制出具有不同介电常数的苯和乙腈的混合液体，注入相应的树脂框架单元中；

6）再将树脂框架放入和平面龙伯透镜大小相等的铝制电磁波反射壳中，得到平板龙伯透镜。

所述平面龙伯透镜的透镜底平板长107.2mm，透镜沿y方向最大尺寸为107mm，沿x方向最大尺寸为140mm；

平面龙伯透镜离散为17层，介电常数由内到外从17.5到2.5以1为步长均匀递减，最外层为空气层。

与现有技术相比，本发明具有以下显著的技术优点：

本发明提供的基于混合液体介质的梯度折射率微波器件的制备方法，是采用在树脂框架中以混合液体作为介质。混合液体介质在梯度折射率微波器件的制作上有明显的优势：液体介质的液体属性赋予其较大的拓扑结构灵活性，并且易于和其他材料进行耦合，制作工艺简单。液体介质的介电常数分布范围较广，通过改变混合液体的组分可以使其折射率具有超宽的可调性。因此，恰当选择流体的种类和合理的调节其各组分的配比浓度可以获得低损耗、宽频带的混合液体介质，可用于梯度折射率微波器件上，如平板梯度折射率透镜和Luneburg透镜的制作。

本发明提供的基于混合液体介质的梯度折射率微波器件的制备方法，具有易于制备和造价低的特点。通过调整液体介质的组成分数，可以任意调节人工等效媒质的介电常数，这种介质仅由一系列的液体混合而成，树脂框架则使得微波器件制作简单，同时该混合液体介质所使用的液体均在市场上常见且价格低廉，使得这种梯度折射率微波器件的制备方法整体造价低廉。

本发明提供的基于混合液体介质的梯度折射率微波器件的制备方法，具有折射率可调范围广的特点。液体介质的折射率分布范围较广，通过适当选取液体并将其合理配比即可使混合液体的折射率具有超宽的可调性，从而满足梯度折射率微波器件的折射率分布要求。

本发明提供的基于混合液体介质的梯度折射率微波器件的制备方法，具有宽频带的特点。在本发明中，由于使用的液体均为非谐振材料，由该材料构成的人工等效媒质的电磁特性在特定微波频段内对频率的色散不明显，所以本发明具有宽频带特性。

本发明提供的基于混合液体介质的梯度折射率微波器件的制备方法，具有低损耗的特点。传统的介质在其特定的谐振频率附近会对电磁波产生强烈的吸收损耗。本发明所用介质是由一系列低损耗的液体混合而成，在工作频率范围内不会产生谐振，从而使得梯度折射率微波器件的微波损耗显著降低。

附图说明

图1为苯和乙腈混合液体介电常数在不同电磁波频率下随乙腈浓度变化的曲线；

图2为苯和乙腈混合液体介质损耗随频率和乙腈浓度变的化曲线；

图3为基于混合液体介质梯度折射率液体平板透镜树脂框架模型的示意图；

图4为基于混合液体介质的新型Luneburg透镜树脂框架模型的示意图。

具体实施方式

本发明是以混合液体为介质，结合光固化快速成形技术提供了一种梯度折射率微波器件的新型制造方法。下面结合具体的实施例和附图对本发明做进一步的详细说明。

根据微波器件的电磁波工作频段和辐射特性，确定其折射率的空间分布图，并对计算所得的折射率空间分布图按相应的离散单元大小进行离散处理，求得每个离散单元层的等效电磁波折射率，再选取具有不同介电常数的液体进行配比，可以获取所需的一系列特定折射率的混合液体介质。通过调控混合液体介质的折射率来实现介质电磁波传输性能的可调，非磁性液体的折射率可由如下公式计算：ε为材料的介电常数。在树脂框架中以混合液体作为介质，其中混合液体可根据实际的需要来进行选择，只需要能够满足介电常数的要求即可。

进一步，基于混合液体介质的梯度折射率微波器件的制备方法，包括以下步骤：

1）根据梯度折射率微波器件的电磁波工作频段和辐射特性，确定其折射率的空间分布图，并对所得的折射率空间分布图按相应的离散单元大小进行离散处理，得到每个离散单元层的等效电磁波折射率；

2）根据离散处理结果，利用光固化快速成形技术，以液体光固化树脂为原料，采用分层光固化的方法制备梯度折射率微波器件的树脂框架结构；

3）将具有不同电磁波折射率的非磁性液体的混合，通过非磁性液体的混合比例得到具有不同电磁波折射率的混合液体；

4）按照树脂框架结构中各离散单元对等效电磁波折射率的要求，分别注入具有对应电磁波折射率的混合液体；然后在树脂框架结构的轮廓外加装金属反射板，得到梯度折射率微波器件。

其中，混合液体的电磁波折射率n由如下公式计算其中ε为混合液体的介电常数，介电常数由介电常数检测装置对混合液体进行检测而获得。

具体的可建立混合液体的混合比例与介电常数相对应的曲线，由树脂框架结构中各离散单元对等效电磁波折射率的要求而获得对介电常数的要求，然后根据得到的曲线找出混合液体的混合比例，按照要求进行配比后进行注入。

所述的注入是将具有对应电磁波折射率的混合液体注满所对应的树脂框架层中，然后将开口处用树脂薄膜盖密封，以免混合液体泄露。

还进一步在灌装制作好的透镜外部紧贴树脂框架层加上与树脂框架轮廓相一致的金属反射板，以减少后向辐射和边缘散射。

在微波频段(GHz)，苯的介电常数范围为2.2~2.5，乙腈为36~40，两者介电损耗都很小(损耗角正切小于0.1)，通过适当的配比可以得到介电常数在2.2～40范围内的任意液体。参见图1所示的苯和乙腈混合液体介电常数在不同电磁波频率下随乙腈浓度变化的曲线，以及图2所示的苯和乙腈混合液体介质损耗随频率和乙腈浓度变的化曲线。因此，下面具体以苯和乙腈的二元混合液体介质为例来说明，所制备的微波器件具有频带宽、损耗低、易于调节及成本低等优点。

实施例1

制备基于苯和乙腈的二元新型混合液体材料，并用该混合液体介质实现了具有电磁波束方向扫描功能的宽频梯度折射率平面透镜的制作，具体包括以下步骤：

1）参照图3（其中，1为树脂框架，2为注入的混合液体介质），平板天线透镜关于x轴对称，透镜的长度为250.8mm，宽度为60.8mm，信号发生源放置于距离透镜125.4mm处，透镜天线树脂框架厚度为0.3mm，工作频段为12~18GHz；

2）由步骤1）中的透镜尺寸以及介质中电磁波的相位与折射率的关系最后可以得到透镜平面上的电磁波折射率（沿y方向）分布方程为：

$n\left(y\right)=n_0-\frac{y\sin \mathrm{\θ}+\sqrt{a^2+y^2}-a}{t},$

式中n₀为积分常数，同时也是y＝0处的折射率，可以取任意正数,t为梯度折射率平面透镜的宽度，信号发生源放置于距离透镜a处，θ为电磁波经过梯度折射率平面透镜的入射与出射的角度差，具体根据需要来选定；而x轴的电磁波折射率为均一的；

3）选用分析纯（AR）的苯和乙腈按照一定比例混合，在60°C的水浴中进行磁力搅拌15分钟，使其均匀混合；

4）由安捷伦介电探头套件测量得到混合液体的介电常数和介电损耗随液体组成成分比例变化的曲线；

根据所要设定的电磁波偏折角度，将透镜离散为33个单元格，由可以计算得出每个单元格对应的介电常数值；

5）根据步骤4）所得曲线求出各个介电常数值所对应的苯和乙腈的配比参数；

6）按照步骤6）所得的配比参数配制出不同介电常数的混合液体，灌入相应的树脂框架单元格中；

7）将树脂框透镜天线放入和平板透镜等大小的铝制电磁波反射壳中，最终获得梯度折射率的液体平面透镜。

实施例2

用苯和乙腈的二元混合液体介质设计实现了广角度宽频段平面龙伯透镜的制作，具体包括以下步骤：

1）参照图4（其中，1为树脂框架，2为注入的混合液体介质），新型平面龙伯透镜的外形类似于一个平面头盔，其底部为一平板，理论上当介质的介电常数由内到外从17.5到1连续变化且在透镜边缘处阻抗匹配时，所有正面入射的不同角度的平面波经透镜后都将会聚在底平板上，透镜底平板长107.2mm，透镜沿y方向最大尺寸为107mm，沿x方向最大尺寸为140mm。

2）选用分析纯（AR）的苯和乙腈按照一定比例混合，在60°C的水浴中进行磁力搅拌15分钟，使其均匀混合；

3）由安捷伦介电探头套件测量得到混合液体介质的介电常数和损耗随液体组成成分比例变化的曲线；

实际制作时将透镜其离散为17层，介电常数由内到外从17.5到2.5以1为步长均匀递减，最外层为空气层，以实现与空气的阻抗匹配；

4）根据步骤3）中所得曲线配制所需要的苯和乙腈的混合液体，并灌入相应的透镜树脂框单元层中；

5）将树脂框透镜天线放入和平板透镜等大小的铝制电磁波反射壳中，即可获得基于混合液体的新型平板龙伯透镜。

Claims (6)

1.一种基于混合液体介质的梯度折射率微波器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据梯度折射率微波器件的电磁波工作频段和辐射特性，确定其折射率的空间分布图，并对所得的折射率空间分布图按相应的离散单元大小进行离散处理，得到每个离散单元层的等效电磁波折射率；

2)根据离散处理结果，利用光固化快速成形技术，以液体光固化树脂为原料，采用分层光固化的方法制备梯度折射率微波器件的树脂框架结构；

3)将具有不同电磁波折射率的非磁性液体的混合，通过非磁性液体的混合比例得到具有不同电磁波折射率的混合液体；

4)按照树脂框架结构中各离散单元对等效电磁波折射率的要求，分别注入具有对应电磁波折射率的混合液体；然后在树脂框架结构的轮廓外加装金属反射板，得到梯度折射率微波器件；

所述混合液体的电磁波折射率n由如下公式计算其中ε为混合液体的介电常数，介电常数由介电常数检测装置对混合液体进行检测而获得；

建立混合液体的混合比例与介电常数相对应的曲线，由树脂框架结构中各离散单元对等效电磁波折射率的要求而获得对介电常数的要求，然后根据得到的曲线找出混合液体的混合比例，按照要求进行配比后进行注入。

2.如权利要求1所述的基于混合液体介质的梯度折射率微波器件的制备方法，其特征在于，所述的注入是将具有对应电磁波折射率的混合液体注满所对应的树脂框架层中，然后将开口处用树脂薄膜盖密封，以免混合液体泄露。

3.一种基于苯和乙腈混合液体介质的梯度折射率平面透镜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据梯度折射率平面透镜的电磁波工作频段和辐射特性，得到梯度折射率平面透镜的折射率分布方程为：

$n\left(y\right)=n_0-\frac{y\sin \mathrm{\θ}+\sqrt{a^2+y^2}-a}{t};$

式中n₀为积分常数，为y＝0处的折射率，取任意正数；t为梯度折射率平面透镜的宽度，信号发生源放置于距离透镜a处，θ为电磁波经过梯度折射率平面透镜的入射与出射的角度差；

并对所得的折射率空间分布图按相应的离散单元大小进行离散处理，得到每个离散单元层的等效电磁波折射率；

2)根据离散处理结果，利用光固化快速成形技术，以液体光固化树脂为原料，采用分层光固化的方法制备梯度折射率微波器件的树脂框架结构；

3)将苯和乙腈按照一定比例充分混合均匀，由介电常数检测装置得到混合液体的介电常数和介电损耗随液体组成成分比例变化的曲线；

4)按照树脂框架结构中各离散单元对等效电磁波折射率的要求，由如下公式计算得到其对混合液体的介电常数的要求，其中，n为电磁波折射率，ε为混合液体的介电常数；

然后根据步骤3)所得曲线找出各介电常数值所对应的苯和乙腈的配比参数；

5)按照步骤4)的配比参数配制出具有不同介电常数的苯和乙腈的混合液体，注入相应的树脂框架单元中；

6)再将树脂框架放入和平面透镜等大小的铝制电磁波反射壳中，得到梯度折射率平面透镜。

4.如权利要求3所述的基于苯和乙腈混合液体介质的梯度折射率平面透镜的制备方法，其特征在于，所述的梯度折射率平面透镜关于x轴对称，长度为250.8mm，宽度为60.8mm，信号发生源放置于距离透镜125.4mm处，树脂框架厚度为0.3mm，工作频段为12～18GHz。

5.一种基于苯和乙腈混合液体介质的平面龙伯透镜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)平面龙伯透镜包括底部和离散单元，底部为一平板，离散单元的介质的介电常数由内到外连续变化且在透镜边缘处阻抗匹配；

2)根据离散处理结果，利用光固化快速成形技术，以液体光固化树脂为原料，采用分层光固化的方法制备平面龙伯透镜的树脂框架结构；

3)将苯和乙腈按照一定比例充分混合均匀，由介电常数检测装置得到混合液体的介电常数和介电损耗随液体组成成分比例变化的曲线；

4)按照树脂框架结构中各离散单元对等效电磁波折射率的要求，介电常数由内到外从17.5到2.5以1为步长均匀递减，最外层为空气层；

然后根据步骤3)所得曲线找出各介电常数值所对应的苯和乙腈的配比参数；

5)按照步骤4)的配比参数配制出具有不同介电常数的苯和乙腈的混合液体，注入相应的树脂框架单元中；

6)再将树脂框架放入和平面龙伯透镜大小相等的铝制电磁波反射壳中，得到平面龙伯透镜。

6.如权利要求5所述的基于苯和乙腈混合液体介质的平面龙伯透镜的制备方法，其特征在于，所述平面龙伯透镜的透镜底平板长107.2mm，透镜沿y方向最大尺寸为107mm，沿x方向最大尺寸为140mm；

平面龙伯透镜离散为17层，介电常数由内到外从17.5到2.5以1为步长均匀递减，最外层为空气层。