CN108037559A - 一种宽带分光分频元件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学技术及高频无线电接收技术领域，具体公开一种宽带分光分频元件及其制备方法。本发明的采用传统夹层结构制作出透波特性的宽带分光分频元件，并且保证单个石英纤维蒙皮材料的表面具有机械平行度等级，再在石英纤维蒙皮材料的表面增镀固化的树脂，由固化的树脂实现光学表面精度的要求。对于毫米波透波特性分析与设计中，将固化层、石英纤维蒙皮材料形成的所述增强层及所述中芯夹层综合分析与设计，调制所述中芯夹层的厚度使所述增强层的反射相互抵消，从而得到较宽的宽带内获得高频宽带透波的特性。对于光学信号反射特性，在耐高温的树脂表面增镀所述介质膜，可以保证光学信号的高反射率。

Description

一种宽带分光分频元件及其制备方法

技术领域

本发明涉及于光学技术及宽带无线电接收领域，特别涉及一种宽带分光分频元件及其制备方法。

背景技术

随着空间目标探测需求的提高,为增强地基空间目标监听监视设备侦听及跟踪能力，对于地基无线电侦收设备提出了新的技术要求：(1)设备具有较宽的接收频段如20GHz-120GHz，具有多种信号的解调及记录功能，以适应多种不同空间目标的接收；(2)空间目标高频及高频信号侦测能力亟待提高；(3)具备较高的接收灵敏度、频域及空域自动搜索及跟踪功能，以适应发现目标的需求。而单一的光学或低频无线电侦收模式已经难以满足空间目标侦测需求的发展，发展光学与毫米波信号共孔径复合接收技术，以提高单站接收系统的综合性能。

对于高频宽带无线电信号，单一馈源难以全部实现高效接收和准确跟踪，对于如20GHz-120GHz高频的无线电信号，一般采取切换接收的方式，即20GHz-45GHz，45GHz-70GHz，70GHz-95GHz及95GHz-120GHz切换分时复用，采用光学辅助跟踪，而无线电侦测系统只负责接收空间目标的辐射信号，这样提升了无线电接收效率。二者共孔径探测，光学跟踪能够最为准确的为无线电接收系统提供目标指向，因此，将宽带无线电信号与光学信号高效分离成为该类设备的关键技术之一。其中核心部件之一为分光分频元件，能够将光学信号及宽带毫米波信号高效分离。传统的解决的分光分频解决方案为在透波材料表面镀介质膜的方式及金属网栅结构，其中金属网栅结构是透光学反毫米波信号，但二者都存在一定弊端。透波材料表面镀介质膜的方式无法实现宽带的透过性，只能保证某个或某几个频段高效透过。金属网栅结构由于要保证对高频毫米波信号的反射，因此网栅间隔过细，会引起光学信号的衍射效应，无法成像。

为了克服上述缺点，设计一种新的宽带分光分频元件及其制备方法。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了提供一种宽带分光分频元件及其制备方法，旨在克服现有分光分频元件技术的缺陷，能够实现宽带的20GHz-120GHz毫米波信号的透过率大于88％，同时能够保证可见光反射率大于85％。

第一方面，本发明实施例中提供一种宽带分光分频元件，其包括：中芯夹层，用于透射毫米波，所述中芯夹层由低介电常数材料制成，所述中芯夹层的厚度范围为1mm～400mm，所述中芯夹层包含蜂窝材料或泡沫材料；增强层，用于增加所述宽带分光分频元件的机械强度，所述增强层设于所述中芯夹层表面；粘结剂，所述粘结剂设于所述增强层与所述中芯夹层之间，用于将所述增强层与所述中芯夹层固连在一起；固化层，所述固化层设于所述增强层表面，在所述固化层表面镀上介质膜，所述介质膜用于将光学信号高效反射。

可选地，所述泡沫材料的厚度为2mm，介电常数为1.2，介电损耗角正切tanδ＝0.005。

可选地，所述蜂窝材料的厚度为2mm，介电常数为1.1，介电损耗角正切tanδ＝0.005。

可选地，所述增强层由石英纤维蒙皮材料制成，所述增强层的厚度为0.05mm，介电常数为3.78，介电损耗角正切tanδ＝0.0002，弹性模量72GPa，抗拉强度1700MPa。

可选地，所述粘结剂为环氧树脂，所述环氧树脂的厚度为0.06mm，介电常数为3.7，介电损耗角正切tanδ＝0.019。

可选地，所述固化层由树脂制成，所述固化层的厚度为60μm。

可选地，所述介质膜的厚度范围为2～5μm。

第二方面，本发明提供一种一种宽带分光分频元件的制备方法，其包括以下步骤：S1、将低介电常数材料制成所述中芯夹层；S2、将所述石英纤维蒙皮材料设于所述中芯夹层表面，加工处理形成所述增强层，以增加所述宽带分光分频元件的机械强度；S3、将所述粘结剂设于所述增强层与所述中芯夹层之间，使得所述增强层与所述中芯夹层固连在一起；S4、在所述增强层的表面注入树脂，通过模压工艺方式对表面进行处理，高温固化，使得树脂形成所述固化层；S5、在所述固化层表面镀上所述介质膜，最后脱模处理最后形成所述宽带分光分频元件。

可选的，在步骤S4之前还包括：将所述树脂抽真空处理，保证固化后无明显气泡。

可选的，在将所述树脂抽真空处理之后还包括将模具玻璃表面做预处理，清洁模具玻璃表面与在模具玻璃表面涂抹脱模剂。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

1、蜂窝材料和泡沫材料为介电常数接近1.0的材料，两种材料都具有接近空气的介电常数及极低的损耗正切值，所述中芯夹层包含一层蜂窝材料及两层泡沫材料，两层所述泡沫材料分别位于所述蜂窝材料的上下表面，所述中芯夹层的整体厚度范围为1mm～400mm，可以自由组合蜂窝材料的厚度和泡沫材料的厚度，为设计提供丰富的选择，所述中芯夹层是非常理想的低介电、低损耗中芯夹层材料。

2、所述增强层具有较低的密度和较高的抗拉抗压强度，作为增强体材料，增加所述宽带分光分频元件的机械强度，通过加工处理保证了所述宽带分光分频元件表面的平整性，满足了机械加工面型的精度要求。

3、所述介质膜的功能为将光学信号高效反射，所述介质膜选择透波特性较好的材料，保证膜层材料对毫米波透过率影响较小，所述介质膜的光学反射效率大于90％以上；由于所述介质膜膜层厚度在2～5μm之间，对毫米波透过影响很小，因此透波特性优化时无需考虑所述介质膜的影响。

附图说明

图1为本发明一个实施例的宽带分光分频元件的结构示意图；

图2为本发明一个实施例的宽带分光分频元件制备方法的流程图；

图3为本发明一个实施例的对宽带分光分频元件测试的TE极化与TM极化传输特性曲线图；

图4为本发明的用ZYGO可见光干涉仪对宽带分光分频元件面型检测的结果图。

附图标号说明：中芯夹层1，增强层2，粘结剂3，固化层4，介质膜5。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

请参看图1，为本发明的宽带分光分频元件，用于光学与宽带无线电信号共孔径复合接收设备中以将宽带无线电信号与光学信号高效分离。

宽带分光分频元件包括中芯夹层1，用于透射毫米波，即是宽带无线电信号。所述中芯夹层1由低介电常数材料制成，所述中芯夹层1的厚度范围为1mm～400mm。所述中芯夹层包含蜂窝材料或泡沫材料。在其中一个实施例中，所述泡沫材料的厚度为2mm，介电常数为1.2，介电损耗角正切tanδ＝0.005，所述蜂窝材料的厚度为2mm，介电常数为1.1，介电损耗角正切tanδ＝0.005。所述中芯夹层1的整体厚度范围为1mm～400mm，可以自由组合所述蜂窝材料的厚度或者所述泡沫材料的厚度，泡沫材料还是蜂窝材料都可以是中心夹层材料，对于某一个方向轻度要求比较高的，就采用蜂窝结构，各个方向强度皆有要求的，采用泡沫材料，泡沫材料的介电常数要高于低密度的蜂窝材料。

宽带分光分频元件还包括增强层2，用于增加所述宽带分光分频元件的机械强度。所述增强层2设于所述中芯夹层1表面。所述增强层2由石英纤维蒙皮材料制成，所述增强层2的厚度为0.05mm，介电常数为3.78，介电损耗角正切tanδ＝0.0002，弹性模量72GPa，抗拉强度1700MPa。石英纤维蒙皮材料具有较低的密度和较高的抗拉抗压强度，作为增强体材料，使得所述增强层2增加所述宽带分光分频元件的机械强度，通过加工处理保证所述宽带分光分频元件表面的平整性，满足机械加工面型精度要求。

宽带分光分频元件还包括粘结剂3，所述粘结剂3设于所述增强层2与所述中芯夹层1之间，用于将所述增强层2与所述中芯夹层1固连在一起。所述粘结剂3为环氧树脂，所述环氧树脂的厚度为0.06mm，介电常数为3.7，介电损耗角正切tanδ＝0.019。

宽带分光分频元件还包括固化层4，用于为保证所述宽带分光分频元件的光学面型精度。所述固化层4设于所述增强层2表面，所述固化层4由树脂制成，所述固化层4的厚度为60μm，可以使得宽带分光分频元件的面型精度达到1/40λ。在所述固化层4表面镀上介质膜5，所述介质膜5用于将光学信号高效反射。所述介质膜5的厚度范围为2～5μm。所述介质膜5由两块口径为80mm的微晶与两块K9玻璃混合制成。所述介质膜5选择透波特性较好的材料，保证膜层材料对毫米波透过率影响较小，所述介质膜5的光学反射效率大于90％，同时由于所述介质膜5的膜层厚度在2～5μm之间，对毫米波透过影响很小，因此所述宽带分光分频元件的透波特性优化时可以忽略所述介质膜5的影响。

在其中一个实施例中，树脂固化形成所述固化层4的工艺流程如下：第一步，将树脂抽真空处理，保证固化后无明显气泡。第二步，将模具玻璃表面做预处理，清洁模具玻璃表面与在模具玻璃表面涂抹脱模剂。第三步，在所述增强层2表面注入树脂用模具模压。第四步，高温固化处理。第五步，脱模处理。

请参看图2，为本发明的所述的宽带分光分频元件的制备方法，包括以下步骤：

S1、将低介电常数材料制成所述中芯夹层1；

S2、将所述石英纤维蒙皮材料设于所述中芯夹层1表面，加工处理形成所述增强层2，以增加所述宽带分光分频元件的机械强度；

S3、将所述粘结剂3设于所述增强层2与所述中芯夹层1之间，使得所述增强层2与所述中芯夹层1固连在一起；

S4、在所述增强层2的表面注入树脂，通过模压工艺方式对表面进行处理，高温固化，使得树脂形成所述固化层4；

S5、在所述固化层4表面镀上所述介质膜5，最后脱模处理最后形成所述宽带分光分频元件。

在其中一个实施例，在所述步骤S4之前还包括：将所述树脂抽真空处理，保证固化后无明显气泡。

请参看图3，为所述宽带分光分频元件的透射率曲线，在20GHz～120GHz范围内，测试结果表明对于20GHz-120GHz的毫米波透过率大于88％以上。最终所述宽带分光分频元件的宽带透波特性，取决于所选所述中芯夹层1的材料厚度，所述增强层2的石英纤维蒙皮材料厚度、粘结剂3及固化层4的树脂的厚度。调制所述中芯夹层1的厚度，使所述增强层2的反射相互抵消，从而得到较宽的宽带内获得高频宽带透波的特性。

请参看图4，为所述宽带分光分频元件的面型检测结果，利用ZYGO可见光干涉仪进行面型检测，所述宽带分光分频元件的面型误差RMS值仅为0.054λ，可以满足可见光的技术要求。

本发明在设计过程中，采用传统夹层结构制作出透波特性的宽带分光分频元件，并且保证单个石英纤维蒙皮材料的表面具有机械平行度等级，再在石英纤维蒙皮材料的表面增镀固化的树脂，由固化的树脂实现光学表面精度的要求。对于毫米波透波特性分析与设计中，将固化层4、石英纤维蒙皮材料形成的所述增强层2及所述中芯夹层1综合分析，调制所述中芯夹层1的厚度使所述增强层2的反射相互抵消，从而得到较宽的宽带内获得高频宽带透波的特性。对于光学信号反射特性，在耐高温的树脂表面增镀所述介质膜5，可以保证光学信号的高反射率。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种宽带分光分频元件，其特征包括：

中芯夹层，用于透射毫米波，所述中芯夹层由低介电常数材料制成，所述中芯夹层的厚度范围为1mm～400mm，所述中芯夹层包含蜂窝材料或泡沫材料；

增强层，用于增加所述宽带分光分频元件的机械强度，所述增强层设于所述中芯夹层表面；

粘结剂，所述粘结剂设于所述增强层与所述中芯夹层之间，用于将所述增强层与所述中芯夹层固连在一起；

固化层，所述固化层设于所述增强层表面，在所述固化层表面镀上介质膜，所述介质膜用于将光学信号高效反射。

2.如权利要求1所述的宽带分光分频元件，其特征在于：所述泡沫材料的厚度为2mm，介电常数为1.2，介电损耗角正切tanδ＝0.005。

3.如权利要求1所述的宽带分光分频元件，其特征在于：所述蜂窝材料的厚度为2mm，介电常数为1.1，介电损耗角正切tanδ＝0.005。

4.如权利要求1所述的宽带分光分频元件，其特征在于：所述增强层由石英纤维蒙皮材料制成，所述增强层的厚度为0.05mm，介电常数为3.78，介电损耗角正切tanδ＝0.0002，弹性模量72GPa，抗拉强度1700MPa。

5.如权利要求1所述的宽带分光分频元件，其特征在于：所述粘结剂为环氧树脂，所述环氧树脂的厚度为0.06mm，介电常数为3.7，介电损耗角正切tanδ＝0.019。

6.如权利要求1所述的宽带分光分频元件，其特征在于：所述固化层由树脂制成，所述固化层的厚度为60μm。

7.如权利要求1所述的宽带分光分频元件，其特征在于：所述介质膜的厚度范围为2～5μm。

8.如权利要求1至7任意一项所述的一种宽带分光分频元件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将低介电常数材料制成所述中芯夹层；S2、将所述石英纤维蒙皮材料设于所述中芯夹层表面，加工处理形成所述增强层，以增加所述宽带分光分频元件的机械强度及机械面型要求；

S3、将所述粘结剂设于所述增强层与所述中芯夹层之间，使得所述增强层与所述中芯夹层固连在一起；

S4、在所述增强层的表面注入树脂，通过模压工艺方式对表面进行处理，高温固化，使得树脂形成所述固化层；

S5、在所述固化层表面镀上所述介质膜，最后脱模处理最后形成所述宽带分光分频元件。

9.如权利要求8所述的宽带分光分频元件制备方法，其特征在于，在步骤S4之前还包括：将所述树脂抽真空处理，保证固化后无明显气泡。

10.如权利要求9所述的宽带分光分频元件制备方法，其特征在于，在将所述树脂抽真空处理之后还包括将模具玻璃表面做预处理，清洁模具玻璃表面与在模具玻璃表面涂抹脱模剂。