CN104659496A - 一种半球龙伯透镜天线的制作方法 - Google Patents

一种半球龙伯透镜天线的制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种半球龙伯透镜天线的制作方法，所述半球龙伯透镜天线分布有空腔，具有半球面和底部平面，并且所述底部平面为过球心平面；其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)选择用于制造半球龙伯透镜天线的材料；(2)确定半球龙伯透镜天线的结构参数；(3)制作具有所述结构参数的半球龙伯透镜天线的三维数字模型；和(4)采用增材制造方法根据所述三维数字模型制作所述半球龙伯透镜天线；和(5)在所述底部平面贴敷金属箔层。本发明所制作的半球龙伯透镜天线中的空腔结构的形状、尺寸和分布可调可控，实现了对同心层平均介电常数的精确控制，能够满足不同的设计要求；并且制作材料广泛，生产工艺简单，成品率高，不存在层间间隙，使产品质量更加稳定、可靠。

Description

一种半球龙伯透镜天线的制作方法
技术领域
本发明涉及通信领域，更具体地说，涉及一种半球龙伯透镜天线。
背景技术
龙伯透镜天线以球形为基本形状(在本文中有时也称为龙伯球)，是由R.K.龙伯于1944年基于几何光学法提出的概念。龙伯透镜天线是一种透过电介质将电磁波聚焦至焦点的透镜天线。它是一个由介电材料制成的球体，能够将各个方向传来的电磁波汇聚到透镜表面相应的一点。在无限接近球体表面的部分，其材质的介电常数＝1(即与空气的介电常数相同)，其球心处的介电常数＝2。球体从表面到中心材质的介电常数是渐变的，其变化规律为εr(r)＝2-(r/R)2(0≤r≤R)，其中，r为当前位置到球体中心的距离，R为龙伯透镜天线的半径。
龙伯透镜天线一般都是针对特定目标入射电磁波进行设计的。目标入射电磁波穿透球体表面，然后折射聚焦到球体另一面的焦点上，不同电磁波信号的入射方向不同，在球面上汇聚的焦点位置也不同。因此在龙伯透镜天线为完全球体的情况下，接收信号角度方位广，只需沿着透镜表面简单地移动馈源位置，或放置多个馈源，就可以同时接收多个信号而不需改变透镜天线的位置。此外不像其他天线具有有限的适用频带，龙伯透镜天线可用于例如波长为从1米到0.1厘米的微波以及波长大于微波的全部电磁波段，包括波长从3000米到10-3米的无线电波，因此适用于大容量的带宽通信系统。
另外，由于龙伯透镜天线具有将电磁波聚焦的特性，使其雷达反射截面积(即RCS值，也是衡量龙伯透镜天线性能的关键技术指标)远大于其物理截面积，因此可用于设置防雷达假目标、干扰伪装、靶的标定、救援等方面。
作为完整球体的龙伯透镜天线的球对称结构和聚焦电磁波的功能使其广泛应用在卫星通信、雷达天线、电子对抗等领域，做为卫星地面站、卫星新闻转播车、射电天文望远镜、军用假目标、靶机、靶弹、汽车防撞雷达等的天线部件。
理论上，用于龙伯透镜天线的材料的介电常数从球心到最外层应该是从2到1连续变化。然而实际上是无法制作出这样理想的龙伯透镜天线的，一般常用分层设计的离散球壳来代替。
最初，制作龙伯透镜天线是利用具有不同介电常数的材料来进行，然而能满足要求的材料非常有限，而且材料之间介电常数梯度太大，因此通过材料选择来制作的龙伯球质量大，透镜的辐射特性也不是最佳，一直没有得到广泛应用。
2003年，Sébastien R ondineau等(Sébastien R ondineau等.Aslicedspherical luneburg lens.IEEE Antennas Wireless Propagat.lett.2003，2：163-166)将龙伯透镜天线沿球径方向分层，按照一定打孔规则在介质层上打孔，以期达到所需的介电常数。这种打孔设计的龙伯透镜在孔定位和加工上操作难度非常大，而且由于孔的数目多，存在形变和机械强度不足等问题，各部分间的牢固性低。这种设计方法只是实现了宏观上的介电常数等效，透镜天线的效率很低，在26.5GHz，效率只有30％，在32GHz，效率只有15％。
发泡法是目前最常用的制作龙伯透镜天线的方法。该方法一般是先将用树脂制作的珠料适当发泡，然后按粒度大小进行筛选分组。然后根据所设计的介电常数将不同组的发泡材料混合而使混合材料的介电常数等于预定的介电常数。再将粘合剂和泡沫珠料混在一起，灌在尺寸合适的球型模具中，待粘合剂中的可挥发成分挥发后，使珠料硬化、粘合而获得具有预定介电常数的球壳。
目前制作的龙伯透镜天线通常是由多层具有不同介电常数的材料包裹而成的，其介电常数的变化是离散的，近似模拟理想状态下的介电常数连续平滑变化。一般而言，包裹的材料层数越多，透镜天线越接近理想状态，然而这也相应的增加了层与层之间存在空气的概率，理论上，空气层的径向厚度大于入射波长的5％即可显著地使龙伯透镜天线性能下降。
另外，增加层数还会相应加大制造难度和材料成本、模具成本以及制造周期。因此，现有技术通常把球体的层数限制在10层左右，少见多于10层的结构，因此模拟理想的介电常数连续平滑变化的程度有限，尤其是对于大尺寸的龙伯透镜天线。
现有技术中通过发泡法制造龙伯透镜天线所使用的材料通常为聚苯乙烯泡沫。可通过控制泡沫密度来控制其内的空气体积分数，从而控制其宏观平均介电常数为预期值。但发泡时泡沫密度达到预期值只能说明整块泡沫的宏观平均介电常数达到预期值，由于发泡工艺的特点，在微观上很难保证材料处处均匀一致，因此在微观上泡沫内一定大量存在体积过大或过小的气泡，从而使介电常数在微观上出现波动，造成产品性能与预期出现偏差，而且不同批次产品的性能偏差程度也不同，此外，根据散射效应，当泡沫内气泡的直径大于三分之一的入射波长时，也会造成龙伯透镜性能显著下降。同时，发泡法在模制过程中珠料可能发生二次发泡，使得介电常数不易控制，均匀性降低。另外，发泡材料在模具冷却后发生收缩，从而导致在拼装时相邻的球壳之间会出现空气间隙，进而对透镜的性能产生较大影响。因此，发泡法存在介电常数公差难以控制、内部不易均匀等难以克服的问题。
龙伯透镜天线作为一种电介质无源器件，具有体积小、重量轻、雷达截面积大、方向图和频谱宽度大的优点，但其制作工艺难度高、过程繁琐耗时、成本高、产品一致性差，限制了其推广和应用。
为了减小龙伯透镜天线体积和节约成本，有时候可以制作非完整球体的龙伯透镜天线。半球龙伯透镜天线具有半球面和底部平面。所述底部平面为过球心平面。所述底部平面通常贴敷有金属箔层。基于几何光学的原理，半球龙伯透镜天线可以在很大程度上模拟完整球体的龙伯透镜天线。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种工艺简单、成本低、使用效果好的半球龙伯透镜天线的制作方法。
本发明的目的是通过如下技术方案来实现的。
1、一种半球龙伯透镜天线，所述半球龙伯透镜天线是半径为R的半球体，并且被设计为包括介电常数彼此不同的n个同心层，球心层表示为第1层，第2个至第n个同心层按照半径由小到大的顺序依次表示为第2个同心层至第n个同心层，其中，n为不小于3的整数，r1为球心层半径；rn等于R；ri为第i个同心层的半径；优选的是，ri为第i个同心层的外表面半径rOi和内表面半径rIi的平均值rAi；1≤i≤n；所述半球龙伯透镜天线具有半球面和底部平面，所述底部平面为过球心平面并且贴敷有金属箔层；其特征在于：
所述n个同心层中的第i个同心层的平均介电常数εi＝2-(ri/R)2，所述n个同心层中的至少一个同心层分布有空腔；
所述n个同心层中具有空腔的每一个同心层中的空腔体积分数被设计成使得该同心层的平均介电常数＝该同心层材料的介电常数×(1-该同心层中全部空腔的体积分数)+该同心层空腔中介质的介电常数×该同心层中全部空腔的体积分数。
2、根据技术方案1所述的半球龙伯透镜天线，其特征在于，所述空腔的任意一个截面的周边上的任意两个点之间的距离都不大于目标入射电磁波波长的三分之一，优选不大于目标入射电磁波波长的四分之一，更优选不大于目标入射电磁波波长的五分之一。
3、根据技术方案1或2所述的半球龙伯透镜天线，其特征在于，所述n为3至100之间的整数；优选的是，所述n为5至40之间的整数；更优选的是，所述n为6至20之间的整数；最优选的是，所述n为8至12之间的整数。
4、根据技术方案1或2所述的半球龙伯透镜天线，其特征在于，所述n为不小于15的整数，优选15至100之间的整数；更优选的是，所述n为20至100之间的整数；进一步优选的是，所述n为40至100之间的整数。
5、根据技术方案1或2所述的半球龙伯透镜天线，其特征在于，所述空腔中的至少一部分空腔独立地具有设计的立体结构；可选的是，所述设计的立体结构为规则立体结构或者不规则立体结构；另外可选的是，所述设计的立体结构为选自由下面立体结构组成的组的任意一种或多种：多面形、球体、椭球体、圆柱体、圆锥体、圆台体；另外可选的是，所述多面体为具有4至20个面的多面体；另外可选的是，所述多面体为正多面体。
6、根据技术方案1至4中任一项所述的半球龙伯透镜天线，其特征在于，所述半球龙伯透镜天线通过增材制造的方法来制造，使得在所述n个同心层中的任意相邻两层之间没有间隙。
7、根据技术方案1至6中任一项所述的半球龙伯透镜天线，其特征在于，所述同心层材料的介电常数小于3，优选为小于2.5。
8、根据技术方案1至7中任一项所述的半球龙伯透镜天线，其特征在于，所述同心层材料选自由热塑性材料、光敏树脂和陶瓷组成的组中的至少一种；更优选的是，所述热塑性材料包含选自由聚乳酸、聚丙烯腈、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物、聚芳基醚酮、热塑性氟塑料和热塑性苯并环丁烯组成的组中的一种或几种。
9、根据技术方案1至8中任一项所述的半球龙伯透镜天线，其特征在于，对于直径120mm的半球龙伯透镜天线，该半球龙伯透镜天线在9.4GHz下，RCS值大于0dBsm。
10.技术方案1至9中任一项所述的半球龙伯透镜天线在卫星通信、雷达天线、射电天文望远镜、军用假目标、靶机、靶弹、汽车防撞雷达上的应用；在所述卫星通信中的应用为选自由在卫星地面站、卫星新闻转播车、传播卫星通信、移动式卫星地面站、近地卫星定位中的应用组成的组中的至少一种。
11、一种半球龙伯透镜天线的制作方法，所述半球龙伯透镜天线分布有空腔，具有半球面和底部平面，所述底部平面为过球心平面；所述方法包括如下步骤：
(1)选择用于制造半球龙伯透镜天线的材料；
(2)确定半球龙伯透镜天线的结构参数；
(3)制作具有所述结构参数的半球龙伯透镜天线的三维数字模型；
(4)采用增材制造方法根据所述三维数字模型制作所述半球龙伯透镜天线；和
(5)在所述底部平面贴敷金属箔层。。
本发明具有如下效果：
(1)本发明的半球龙伯透镜天线中，空腔结构的形状、尺寸和分布可基于性能需求而精确控制，因此能够对每层球壳中空腔所占的体积分数进行有效的调节，进而实现了介电常数在宏观和微观层面上的精确控制。克服了传统制造工艺中，因发泡具有随机性，造成泡沫内气泡的尺寸和分布存在波动，从而产生传统龙伯球材料均匀度差、调节成本高、批次间产品性能不稳定、成品率低的缺点。
(2)传统工艺中，半球龙伯透镜天线多由拼装工艺制造，造成各层之间存在间隙，当层间间隙大于5％个入射波长时，产品的性能将明显下降。本发明的半球龙伯透镜天线为整体结构，不同形状尺寸和分布的空腔结构弥散于其中，在使用例如增材制造方法制造的情况下，不存在层间间隙，使产品质量更加稳定、可靠。
(3)本发明的半球龙伯透镜天线能够通过改变球壳的层数、半径、制作材料以及空腔结构的形状、尺寸和分布等来满足不同的性能需求。
(4)本发明的半球龙伯透镜天线制作材料广泛，生产工艺简单，成本低，周期短，成品率高，产品质量稳定，具有良好的社会和经济效益。传统工艺制造的龙伯球订货周期约在一个月左右，大尺寸的龙伯球订货周期更长，本发明的半球龙伯透镜天线在使用恰当的成型工艺时(如实施例所用到的增材制造工艺)，生产周期为一周至两周左右。
附图说明
图1为本发明的半球龙伯透镜天线的剖面示意图，其中1为材料本体(黑色区域)，2为空腔结构(白色区域，本示意图以立方体空腔为例)，3为半球龙伯透镜天线的底部平面的金属箔层。
具体实施方式
在第一方面，本发明提供了一种半球龙伯透镜天线，所述半球龙伯透镜天线可以为半径为R的半球体，并且可以被设计为包括介电常数不同的n个同心层，球心层可以表示为第1层，第2个至第n个同心层可以按照半径由小到大的顺序依次表示为第2同心层至第n同心层。其中，n可以为不小于3的整数，r1为球心层半径；rn等于R；ri为第i个同心层的半径；所述n个同心层中的第i个同心层的平均介电常数εi＝2-(ri/R)2。优选的是，ri为第i个同心层的外表面半径rOi和内表面半径rIi的平均值rAi；1≤i≤n；所述半球龙伯透镜天线具有半球面和底部平面，所述底部平面为过球心平面并且贴敷有金属箔层；所述n个同心层中的至少一个同心层分布有空腔；所述n个同心层中具有空腔的每一个同心层中的空腔体积分数被设计成使得该同心层的平均介电常数等于该同心层材料的介电常数×(1-该同心层中全部空腔的体积分数)+该同心层空腔中介质的介电常数×该同心层中全部空腔的体积分数。
半球龙伯透镜天线可以是将制作好的呈完整球体的龙伯透镜天线沿球心平分为两半球。半球龙伯透镜天线具有半球面和底部平面。所述底部平面为过球心平面。所述底部平面通常全部贴敷有金属箔层。本发明对上述金属箔层的金属没有特别的限制。不过在一些优选的实施方式中，所述金属箔层的金属选自由铜、铝、银和金组成的组。
在一些实施方式中，半球龙伯透镜天线是将制作好的龙伯透镜天线通过过球心的平面等份剖分为两半球。作为可选的实施方式，可以直接形成半球龙伯透镜天线而无需剖分操作。
金属箔层厚度不受特别限制，例如可以为0.1、0.2、0.5、1mm等。
在本发明中，同心层的层数n不受特别限制，本领域技术人员可以根据本申请所公开的内容根据具体需要例如根据所要制作的半球龙伯透镜天线的目标性能的需要来设置，例如为2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、25、30、35、40、45、50、60、70、80、90、100或以上。一般来说，同心层的层数n越大，半球龙伯透镜天线的性能越好，但是随着层数n的增加，半球龙伯透镜天线的设计和制作成本会增加并且层数增加所带来的益处会逐渐下降。因此，在一些实施方式中，所述n为3至100之间的整数。优选的是，所述n为5至40之间的整数；更优选的是，所述n为6至20之间的整数；最优选的是所述n为8至12之间的整数，例如为8、9、10、11或12。
在一些替代的实施方式中，同心层的层数n根据需要例如性能需要可以为20至100之间的整数；进一步优选的是，所述n为40至100之间的整数。
各个同心层的径向厚度与半球龙伯透镜天线的半径R和层数n有关，并且各同心层的厚度可以相同也可以不同。例如，各同心层的厚度可以是不同的，部分相同的或者全部相同的。在一些实施方式中，各同心层的厚度可以径向地由球心层向最外侧的第n层递减或者递增。
由于制作半球龙伯透镜天线的材料的介电常数一般都大于1，因此，本发明的半球龙伯透镜天线的n个同心层中的至少一个同心层尤其是位于外侧的同心层特别是最外层一般可以分布有空腔。只要同心层的材料允许，即，只要能够制作出满足介电常数要求的同心层，靠近球心层的同心层可以不具有空腔。
对于具有空腔的同心层，所述空腔中的至少一部分空腔可以被设计成独立地具有设计的立体结构。可选的是，所述设计的截立体结构为规则立体结构例如点对称立体结构、轴对称立体结构或面对称立体结构。另外可选的是，所述设计的立体结构为不规则立体结构。例如，所述设计的立体结构可以为选自由下面立体结构组成的组的任一立体结构：多面体、球体、椭球体、圆柱体、圆锥体、圆台体；所述多面体可以为具有四个面以上的多面体，例如为具有4至20个面的多面体，例如具有4、5、6、7、8、9、10、15或20个面的多面体；优选的是，所述多面体为正多面体，例如正四面体或正六面体(参见图1，其中1表示材料本体(黑色区域)，2表示空腔结构(白色区域)，3为半球龙伯透镜天线的底部平面的金属箔层)等。
在空腔立体结构为多面体的情况下，从半球龙伯透镜天线的物理强度的角度考虑，在多面体的顶角中至少一部分顶角的位置独立地呈倒角设计，尤其是在空腔尺寸较大的情况下。基于同样的考虑，在多面体的棱中的至少一部分棱的位置独立地呈倒角设计。
从性能上考虑，空腔在同心层中的分布应尽可能地均匀，例如根据需要可以为均匀分布或者基本均匀分布。另外，在满足介电常数设计(例如目标性能要求)要求和制作条件允许(例如制作设备的精度条件)的情况下，所述空腔的尺寸应尽可能地小。
在一些优选的实施方式中，本发明的半球龙伯透镜天线可以通过增材制造的方法形成。例如，所述的增材制造方法可以是熔融堆积成型(FDM)、选择性激光烧结成型(SLS)、激光光固化成型(SLA)等。
例如，在采用熔融堆积成型的情况下，所述增材制造方法可以包括以下步骤：选择用于制造半球龙伯透镜天线的材料，设计半球龙伯透镜天线的结构；(2)确定半球龙伯透镜天线的结构参数，所述参数包括同心层的层数n、各层球壳内空腔结构的形状、尺寸和分布；(3)利用3D软件将设计好的半球龙伯透镜天线结构制作成三维数字模型；(4)利用FDM方法，将选定的材料制造成半球龙伯透镜天线并在底部平面贴敷上金属箔层。
关于增材制造方法，在采用FDM方式时，优选喷头温度为热塑性材料的熔点+20℃至30℃。本发明人发现，采用这样的喷头温度使得产品的精度和质量最好。另外，在一些优选的实施方式中，喷头速度为60至80mm/min。本发明人发现，过快或者过慢都会造成打印尺寸变大，间接造成空腔体积变小，使介电常数偏离预定值，影响产品性能。另外，喷头定位精度在z方向优选设定为±0.1mm和/或xy方向为±0.2mm。本发明人发现，精度过粗容易造成产品变形，精度过细会显著延长打印时间，从而增加了制作成本。
在一些实施方式中，步骤(1)包括确定半球龙伯透镜天线的结构参数，所述参数包括半球龙伯透镜天线的半径、同心层的层数n、各同心层的平均介电常数、各同心层的空腔体积分数、和/或空腔的形状、尺寸和分布。
由于采用增材制造技术制造半球龙伯透镜天线可以使得半球龙伯透镜天线不存在采用其他拼接方法如发泡拼接法或打孔拼接法而导致的层间间隙从而导致半球龙伯透镜天线性能下降的问题。据认为，当层间间隙大于5％的目标入射波长时，天线的性能将明显下降。如果本发明的半球龙伯透镜天线采用增材制造的方法制造，虽然在设计上仍沿用层的概念，但是在物理结构上并不存在层间间隙，使得采用增材制造方法制得的产品的质量更加稳定、可靠。
在本发明中，具有空腔的同心层通过其中的空腔的体积分数来调节其介电常数以获得目标的介电常数。从半球龙伯透镜天线的性能角度考虑，空腔的尺寸优选尽可能地小，如此可以使得半球龙伯透镜天线的径向介电常数变化更加平缓。
在一些优选的实施方式中，所述空腔截面最大直径不大于目标入射电磁波波长的三分之一，优选不大于目标入射电磁波波长的四分之一，更优选不大于目标入射电磁波的波长的五分之一，以避免半球龙伯透镜天线的性能下降。所述空腔截面最大直径具有本领域技术人员所理解的含义，其表示在空腔的所有截面中，最小外接圆的最大直径。这意味着，所述空腔的任意一个截面的周边上的任意两个点之间的距离可以都不大于目标入射电磁波波长的三分之一，优选不大于目标入射电磁波波长的四分之一，更优选不大于目标入射电磁波的波长的五分之一，以避免半球龙伯透镜天线的性能下降。
半球龙伯透镜天线一般都是针对准备使用该半球龙伯透镜天线来接收的电磁波的波长进行设计的，因此半球龙伯透镜天线都会存在相应的目标电磁波波长。以避免半球龙伯透镜天线的性能下降。
本发明对用以制作半球龙伯透镜天线的同心层材料的介电常数没有特别的限制。但是，从减少空腔的体积分数的角度考虑，优选所述材料的介电常数为小于5，例如为5、4、3、2.5、2。优选的是，所述材料的介电常数为小于2.5。
本发明对用以制作半球龙伯透镜天线的材料没有特别限制，可以使用本领域中用于制作半球龙伯透镜天线常用的材料。在一些优选的实施方式中，制作半球龙伯透镜天线的材料选自由聚乳酸(PLA)、聚丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物(ABS)、聚芳基醚酮、热塑性氟塑料、热塑性苯并环丁烯、DSM Somos GP Plus 14122光敏树脂组成的组。更优选的是，制作半球龙伯透镜天线的材料选自由PLA、ABS、聚芳基醚酮、热塑性氟塑料、热塑性苯并环丁烯、DSM Somos GP Plus 14122光敏树脂组成的组中。更优选的是，所述材料为PLA。最优选的是，所述材料为PLA，并且同心层的层数n为7。上述材料都是已知的材料，都可以商购获得，例如可以购买美国NatureWorks公司生产的牌号为4060D的PLA材料。
另外，各个同心层的材料可以彼此相同也可以彼此不同。例如，各同心层可以由同一材料制得，也可以部分由相同的材料制得。在一些优选的实施方式中，各同心层的材料的介电常数可以沿径向由球心层向最外侧的第n层递减。
在本发明的一些实施方式中，所述空腔中的至少一些空腔可以有或者没有介质。从方便制作的角度考虑，所述空腔中的介质可以为空气。例如在半球龙伯透镜天线应用于无人机的情况中，所述半球龙伯透镜天线的空腔中的介质为空气。
在一些实施方式中，本发明的半径为60mm的半球龙伯透镜天线在9.4GHz下，RCS值等于或者大于-2dBsm；更优选的是，RCS值等于或者大于0dBsm。
在本发明的另外一个方面，本发明提供了一种其中分布有空腔的半球龙伯透镜天线的制作方法，所述方法包括如下步骤：
(1)选择用于制造半球龙伯透镜天线的材料；
(2)确定半球龙伯透镜天线的结构参数；
(3)制作具有所述结构参数的半球龙伯透镜天线的三维数字模型；和
(4)采用增材制造方法根据所述三维数字模型制作所述半球龙伯透镜天线；和
(5)在所述半球龙伯透镜天线的底部平面贴敷金属箔层。
在本发明的用于制作半球龙伯透镜天线的所述方法中，用于制作半球龙伯透镜天线的材料如上所述。
在一些实施方式中，所述结构参数选自由所述半球龙伯透镜天线的直径、半径和层数，以及所述空腔的形状、尺寸和分布组成的组。
在一些实施方式中，所述三维数字模型采用3D软件来制作。
在本发明的用于制作半球龙伯透镜天线的所述方法中，所述增材制造方法如上所述。
在对半球龙伯透镜天线的性能和尺寸有特定要求的情况下，要制作的半球龙伯透镜天线可能存在性能例如RCS或尺寸例如半球龙伯透镜天线的直径或者半径上的要求。换言之，要制作的半球龙伯透镜天线具有目标性能和目标尺寸。在这种情况下，在一些实施方式中，在上述步骤(1)和/或(2)中，根据所述目标性能例如RCS和/或目标尺寸例如半球龙伯透镜天线的直径或者半径来选择材料和/或确定半球龙伯透镜天线的所述结构参数。另外，所述制作方法还可选地在所述步骤(3)中包括通过仿真技术采用试错法通过调整所述结构参数来达到上述目标性能。作为另外的或者替代的实施方式，在所述步骤(5)之后，所述制作方法还包括检验所制作得到的半球龙伯透镜天线的是否具有所述目标性能和/或所述目标尺寸的步骤。
在一些可选的实施方式中，可以以上述类似的方法制作半球龙伯透镜天线，区别仅在于先制作完整球体的龙伯透镜天线，然后根据需要将该完整球体的龙伯透镜天线等份剖分为半球龙伯透镜天线，然后在半球龙伯透镜天线的底部平面上贴敷金属箔层。
在另一个方面，本发明提供了所述半球龙伯透镜天线的应用，例如在卫星通信、雷达天线、射电天文望远镜、军用假目标、靶机、靶弹、汽车防撞雷达上的应用；在所述卫星通信中的应用的情况下，所述应用可以为选自由在卫星地面站、卫星新闻转播车、传播卫星通信、移动式卫星地面站、近地卫星定位中的应用组成的组中的至少一种。
实施例
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明，其中使用的材料可以从美国NatureWorks公司购买其生产的牌号4060D的PLA材料，并且没有使用专门的设备。
实施例1
本实施例制作的半球龙伯透镜天线为一半球体，其中分布着空腔，球的半径R为60mm，目标RCS值为大于或者等于0dBsm，目标入射电磁波为9.4GHz，波长为32mm，空腔是边长为3.5mm的正六面体，金属箔层厚度为0.2mm。
本实施例选择PLA作为制作半球龙伯透镜天线的材料，其介电常数为2.5。然后利用公式εi＝2-(ri/R)2计算各同心层的介电常数；再根据以下公式计算各同心层的空腔体积分数：各同心层的平均介电常数＝[该同心层材料的介电常数×(1-该同心层中全部空腔在该同心层中的体积分数)+空腔介质的介电常数×该同心层中的全部空腔在该同心层中的体积分数]，再根据各同心层的体积分数确定各同心层中的空腔体积和数量，本实施例中的空腔形状为正立方体，空腔截面最大直径(即立方体的体对角线)为6mm，并且所述空腔在各同心层中均匀分布。利用3D软件(Unigraphics NX，Siemens PLM Software公司)将设计好的半球龙伯透镜天线结构制作成三维数字模型；通过FDM方法，将PLA制造成半球龙伯透镜天线并且在底部平面贴敷上金属箔层。
测试结果表明，该半球龙伯透镜天线在9.4GHz下，RCS均值≥0dBsm。满足了性能要求。
以与实施例1相似的方式制作实施例2-5的半球龙伯透镜天线，不同之处在于如表1所示的参数。
表1(续)各实施例制作的半球龙伯透镜天线的各个同心层的直径(mm)/平均介电常数/空腔体积分数(Ri/εi/Vi)
层数编号 实施例1、2、3 实施例4 实施例5
1 17.14/1.98/0.35 14.55/1.99/0.48 13.33/2/0.59
2 34.29/1.92/0.39 29.09/1.97/0.49 26.67/1.98/0.59
3 51.43/1.82/0.46 43.64/1.93/0.51 40/1.96/0.6
4 68.57/1.67/0.55 58.18/1.87/0.54 53.33/1.93/0.61
5 85.71/1.49/0.67 72.73/1.79/0.58 66.67/1.89/0.63
6 102.86/1.27/0.82 87.27/1.7/0.63 80/1.84/0.65
7 120/1.05/0.97 101.82/1.6/0.69 93.33/1.78/0.67
8 116.36/1.47/0.75 106.67/1.72/0.7
9 130.91/1.33/0.83 120/1.64/0.73
10 145.45/1.17/0.91 133.33/1.56/0.77
11 160/1.05/0.97 146.67/1.46/0.81
12 160/1.36/0.85
13 173.33/1.25/0.9
14 186.67/1.13/0.95
15 200/1.05/0.98
以上实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明实际精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种半球龙伯透镜天线的制作方法，所述半球龙伯透镜天线分布有空腔，具有半球面和底部平面，并且所述底部平面为过球心平面；其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)选择用于制造半球龙伯透镜天线的材料；
(2)确定半球龙伯透镜天线的结构参数；
(3)制作具有所述结构参数的半球龙伯透镜天线的三维数字模型；和
(4)采用增材制造方法根据所述三维数字模型制作所述半球龙伯透镜天线；和
(5)在所述半球龙伯透镜天线的底部平面贴敷金属箔层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述结构参数选自由如下参数组成的组：半球龙伯透镜天线的直径、半径、层数、以及所述空腔的形状、尺寸和分布。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：
在步骤(1)中，根据所述半球龙伯透镜天线的目标性能和/或目标尺寸来确定所述材料，优选的是，所述目标性能采用雷达散射截面积来度量，所述目标尺寸采用半球龙伯透镜天线的直径、半径和/或层数来度量；和/或
在所述步骤(2)中，根据所述目标性能和/或目标尺寸和/或所述材料的的介电常数来确定所述结构参数。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于：
在所述步骤(3)中，还包括通过仿真技术采用试错法调整所述结构参数来达到上述目标性能，优选的是调整所述半球龙伯透镜天线的层数、所述空腔的形状、尺寸和/或分布来达到上述目标性能；和/或
在所述步骤(5)之后，进一步包括检验制作得到的所述半球龙伯透镜天线是否具有所述目标性能和/或目标尺寸。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述增材制造方法选自由熔融堆积成型、选择性激光烧结成型和激光光固化成型组成的组；
优选的是，所述增材制造的方法为熔融堆积成型；
更优选的是，在所述熔融堆积成型中，喷头温度为所述材料的熔点+20℃至30℃；和/或喷头速度为60至80毫米/分钟；和/或喷头定位精度在z方向为±0.1毫米；和/或喷头定位精度x方向为±0.2毫米；和/或喷头定位精度在y方向为±0.2毫米。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述半球龙伯透镜天线是半径为R的半球体，并且被设计为包括介电常数彼此不同的n个同心层，球心层表示为第1层，第2个至第n个同心层按照半径由小到大的顺序依次表示为第2个同心层至第n个同心层，其中，n为不小于3的整数，r1为球心层半径；rn＝R；ri为第i个同心层的半径；优选的是，ri为第i个同心层的外表面半径rOi和内表面半径rIi的平均值rAi；1≤i≤n；
所述n个同心层中的第i个同心层的平均介电常数εi＝2-(ri/R)2；
所述空腔分布在所述n个同心层中的至少一个同心层；
所述n个同心层中具有空腔的每一个同心层中的空腔体积分数被设计成使得该同心层的平均介电常数＝该同心层材料的介电常数×(1-该同心层中全部空腔的体积分数)+该同心层空腔中介质的介电常数×该同心层中全部空腔的体积分数。
7.根据权利要求1至6所述的方法，其特征在于，所述空腔的任意一个截面的周边上的任意两个点之间的距离都不大于目标入射电磁波波长的三分之一，优选不大于目标入射电磁波波长的四分之一，更优选不大于目标入射电磁波波长的五分之一。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述n为3至100之间的整数；优选的是，所述n为5至40之间的整数；更优选的是，所述n为6至20之间的整数；最优选的是，所述n为8至12之间的整数；
另外优选的是，所述n为不小于15的整数，优选15至100之间的整数；更优选的是，所述n为20至100之间的整数；进一步优选的是，所述n为40至100之间的整数。
9.根据权利要求1至8中任一项所述方法制作的半球龙伯透镜天线，其特征在于，所述空腔中的至少一部分空腔独立地具有设计的立体结构；可选的是，所述设计的立体结构为规则立体结构或者不规则立体结构；另外可选的是，所述设计的立体结构为选自由下面立体结构组成的组的任意一种或多种：多面体、球体、椭球体、圆柱体、圆锥体和圆台体；另外可选的是，所述多面体为具有4至20个面的多面体；另外可选的是，所述多面体为正多面体。
10.根据权利要求1至9中任一项所述方法制作的半球龙伯透镜天线，其特征在于，所述材料的介电常数小于3，优选为小于2.5；进一步优选所述同心层材料选自由热塑性材料、光敏树脂和陶瓷组成的组中的至少一种；更优选的是，所述热塑性材料包含选自由聚乳酸、聚丙烯腈、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物、聚芳基醚酮、热塑性氟塑料和热塑性苯并环丁烯组成的组中的一种或几种。
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