CN108933334A - 一种基于abs材料的球体龙勃电磁透镜反射器的制作方法及装置 - Google Patents
一种基于abs材料的球体龙勃电磁透镜反射器的制作方法及装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种基于ABS材料的球体龙勃电磁透镜反射器的制作方法及装置，通过采用电磁透镜对电磁信号的增强反射特性原理，采用特殊配置不同介电常数ABS材料进行3D打印方式，得到球型龙勃电磁波透镜反射器。本发明所提供的方法具有简便、灵活、简单、可靠的特点；且本发明所提供的装置制作工艺简单、精度高、成本低、材料宜得、重量轻、具有良好的宽角响应，可适用于制作龙勃阵列指示器，以进行目标位置搜索、检测、定位。同时，所述装置采用球体结构，通过改变球壳数、半径、制作材料的介电常数、金属反射面的大小与位置以满足不同性能的需求。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种基于ABS材料的球体龙勃电磁透镜反射器的制作方法及装置。
背景技术
目前，导航技术、雷达探测等技术快速发展，各种应用对电磁波信号的采集提出了日趋严格的要求，目标跟踪则需要天线有较高的增益，较大范围空天侦查、搜索要求具有较高的灵敏度和反应速度，无人驾驶防撞、跟踪、引导等领域则需要低成本和高效的目标指示增强手段。无线探测领域中光探测和电磁波探测的速度最快，光探测受视场障碍物和天气的影响较大，而电磁波探测受上述因素的影响较小，甚至不受影响。有源无线探测的作用距离、识别准确度和定位精度主要取决于目标反射信号的强弱，而反射信号强弱与金属目标的有效反射面积成正比，面积一定信号反射效能也一定，不利于远距离、精确探测，而非金属目标对电磁波信号无反射作用，故而无从探测。此外，光学龙勃透镜由于制作复杂、结构体积大、成本昂贵，仅限于应用于如航母舰载机着舰飞行引导等有限场合，而电磁波龙勃透镜由于同样的原因也仅仅应用于特殊设备的电磁波收发天线。因此，迫切需要一种不依赖于常规龙勃制造材料、工艺、结构、低成本的电磁波龙勃透镜制作方法。
本发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于ABS材料的球体龙勃电磁透镜反射器的制作方法及装置。
本发明采用如下技术方案：
一方面，本发明提供一种基于ABS材料的球体龙勃电磁透镜反射器的制作方法，包括以下步骤：
S01：设计所述球体龙勃电磁透镜的具体参数，其中，所述参数包括所述球体龙勃电磁透镜的同心球层数N、各层同心球的球半径rj、所述各层同心球的介电常数εj，j＝1,2,…,N；
S02：根据所述具体参数，确定所述各层同心球的所述ABS材料；
S03：根据方向图的宽度要求，设置反射镜的参数、材料；
S04：根据所述步骤S01—所述步骤S03，构建所述球体龙勃电磁透镜反射器的3D模型，并针对所述3D模型，进行多材料3D打印，得到所述球体龙勃电磁透镜反射器。
优选的，在本发明中，在所述步骤S01中，具体包括以下步骤：
S011：确定所述龙勃电磁透镜反射器同心球层数N；
S012：确定最内层球半径r1与最外层球半径rN的最大半径比、与最内层球材质的介电常数ε1；
S013：确定各层同心球半径r1、r2、…、rN；
S014：确定所述各层同心球的介电常数ε2、ε3、…、εN。
优选的，在本发明中，在所述步骤S013中，所述各层同心球的球半径之间满足：
ri+1-ri＜λ/2，
其中，i＝1,2,…,N-1，λ表示所述龙勃电磁透镜反射器采用的电磁波波长。
优选的，在本发明中，在所述步骤S014中，所述各层同心球的介电常数ε1、ε2、ε3、…、εN满足：
ε1＞ε2＞ε3＞…＞εN＞ε0
其中，ε0表示空气的介电常数；且所述介电常数ε1、ε2、ε3、…、εN呈规律阶梯变化。
优选的，在本发明中，在所述步骤S02中，采用同目数不同配比、同配比不同目数、不同目数不同配比任一方式确定所述各层同心球的所述ABS材料。
优选的，在本发明中，在所述步骤S03中，所述反射镜在最外层球的球面中心，且满足下式：
其中，S表示所述反射镜的面积；Sw表示所述最外层球面的面积。
优选的，在本发明中，所述反射镜位于电磁波传播方向的对向球面，且所述反射镜呈球面状。
另一方面，本发明还提供了一种基于ABS材料的球体龙勃电磁透镜反射器装置，根据权利要求1-7任一一种基于ABS材料的球体龙勃电磁透镜反射器的制作方法制作的球体龙勃电磁透镜反射器。
本发明有益技术效果
本发明通过采用电磁透镜对电磁信号的增强反射特性原理，采用特殊配置不同介电常数ABS材料进行3D打印方式，得到球型龙勃电磁波透镜反射器，具有以下特点：
1.本发明所提供的方法具有简便、灵活、简单、可靠的特点。
2.本发明所提供的装置制作工艺简单、精度高、成本低、材料宜得、重量轻、具有良好的宽角响应，可适用于制作龙勃阵列指示器，以进行目标位置搜索、检测、定位。
3.本发明所得到的装置采用球体结构，通过改变球壳数、半径、制作材料的介电常数、金属反射面的大小与位置以满足不同性能的需求。
附图说明
图1为本发明所提出的球体龙勃电磁透镜反射器的工作原理图；
图2为本发明一实施例结构示意图。
具体实施方式
以下将对本发明的优先实施例进行详细的描述；应当理解，优先实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
参照图1，为龙勃电磁透镜反射器的工作原理示意图，该龙勃电磁透镜反射器是一种具有梯度介电常数结构的介质球体，由数层不同介电常数的电介质同心球构成，外表面部分涂敷有金属反射层，其外层的介电常数与空气相近，越靠球心的层介电常数越大，能将入射的电磁波束聚焦沿原射线轨迹反射回去。当涂敷的金属反射层面积为最外层球的球面面积1/4时，方向图的宽度约为90°，随着涂敷的金属发射层面积的增加，可使方向图的宽度也增加。
本发明提供了一种基于ABS材料的球体龙勃电磁透镜反射器的制作方法，具体包括以下步骤：
S01：设计所述球体龙勃电磁透镜的具体参数，其中，所述参数包括所述球体龙勃电磁透镜的同心球层数N、各层同心球的球半径rj、所述各层同心球的介电常数εj，j＝1,2,…,N；
具体的，在步骤S01中，具体可包括：
S011：确定龙勃电磁透镜反射器同心球层数N；
理论上，透镜层数越多效率越高，但制作工艺越复杂、成本也越高，仿真研究表明层数超过12层后，透镜效率随层数的增加增长幅度放缓，实际设计层数取12以下。结合本制作方法与工艺，测算表明12层以下取偶数层4、6、8…层时，透镜的效率、工艺、成本综合效果较好。
S012：确定最内层球半径r1与最外层球半径rN的最大半径比、与最内层球材质的介电常数ε1；
其中，所述最大半径比满足：
0.4≤r1/rN≤0.7。
S013：确定各层同心球半径r1、r2、…、rN；
进一步，所述各层同心球的球半径之间满足：
ri+1-ri＜λ/2，
其中，i＝1,2,…,N-1，λ表示所述龙勃电磁透镜反射器采用的电磁波波长。
S014：确定所述各层同心球的介电常数ε2、ε3、…、εN；
进一步，所述各层同心球的介电常数ε1、ε2、ε3、…、εN满足：
ε1＞ε2＞ε3＞…＞εN＞ε0
根据电磁波反射原理，所述龙勃电磁透镜反射器外层的介电常数与空气相近，越靠球心的层介电常数越大，能将入射的电磁波束聚焦沿原射线轨迹反射回去。其中，ε0表示空气的介电常数；且所述介电常数ε1、ε2、ε3、…、εN呈规律阶梯变化。在此需进一步指出，介电常数ε1表示由内向外第一层球层的介电常数，一般情况下，根据现有技术中，对介电常数的产生，介电常数ε1＜2，但是可在一定程度上认为ε1≈2；而介电常数εN则是可在一定程度上认为εN≈ε0。
S02：根据所述具体参数，确定所述各层同心球的所述ABS材料；
具体的，在所述步骤S02中，采用同目数不同配比、同配比不同目数、不同目数不同配比任一方式确定所述各层同心球的所述ABS材料。
进一步，各层打印材料三种基本配制方法：
①同目数不同配比。A、B、S三种材料的颗粒度相同,均大于100目，但成分比例不同，调整比例以获得不同电介质常数的ABS混合料；
②同配比不同目数。A、B、S三种材料的成分比例相同，但颗粒度目数不同且均大于100目，调整目数以获得不同电介质常数的ABS混合料；
③不同目数不同配比。A、B、S三种材料的颗粒度可调且不低于100目，成分比例可调，以各种颗粒度搭配和成分比例调整获得不同电介质常数的ABS混合料。
在此，需要说明的是ABS材料是丙烯腈(A)、丁二烯(B)、苯乙烯(S)三种单体的三元共聚物，具有各向同性、介质均匀、介电常数几乎不随频率变化、吸水性小、不透气、不降解、防腐蚀、防老化性、保温性好、使用寿命超过30年、质量轻、价格便宜；是制作电磁透镜的良好材料，重要的是ABS材料是三D打印工艺的理想材料。
但是由于龙勃电磁透镜的介电常数要求在1～2范围，而常见的ABS材料的介电常数下限偏高，严重影响透镜效率。本发明提出了一种最低介电常数可达1.05的光敏ABS材料,制造误差控制在±0.01以内，满足了制造工艺要求。以不同成分比例、不同的颗粒度以及光敏树脂添加剂(光敏树脂材料DSM Somos 14120或DSM Somos GP Plus14122)，配制成介电常数1.05～2.0的各种光敏ABS混合料，用于光固化3D打印工艺。
同时，由于3D打印光固化过程会使得已成型材料的介电常数发生改变，故在配置打印材料时应对介电常数进行修正,若打印加工成型后各层球体材料的介电常数为εn(n＝1,2,3,…)，则实际各层打印配料的介电常数应为εn+Δεn(n＝1,2,3,…)，其中Δεn(n＝1,2,3,…)为各层材料的修正系数，与层结构参数(厚度)、材质、光敏树脂添加剂和打印机设置参数有关。
S03：根据方向图的宽度要求，设置反射镜的参数、材料；
具体的，在所述步骤S03中，所述金属发射面在最外层球的球面中心，且满足下式
其中，S表示所述金属发射面的面积；Sw表示所述最外层球面的面积。
一般情况下，金属发射面呈球面形状，紧贴于最外层球的球面，且金属发射面的端口面呈圆形。可具体位于信号发射方向的反侧。当涂敷金属层面积为球面面积1/4时，方向图的宽度约为90°。随着涂敷金属层面积的增加，可使方向图的宽度也增加。
S04：根据所述步骤S01—所述步骤S03，构建所述球体龙勃电磁透镜反射器的3D模型，并针对所述3D模型，进行多材料3D打印，得到所述球体龙勃电磁透镜反射器。
另一方面，本发明还提供了一种球体龙勃电磁透镜反射器装置，其特征在于：根据权利要求1-7任一一种球体龙勃电磁透镜反射器的制作方法制作的球体龙勃电磁透镜反射器。
下面以具体实施例进行对本发明所提出的龙勃电磁透镜反射器的制作方法进行说明，如图2所示。
具体，本实施方式以6层结构龙勃电磁透镜反射器制作方法为例进行说明。
S01：设计所述球体龙勃电磁透镜的具体参数，其中，所述参数包括所述球体龙勃电磁透镜的同心球层数N、各层同心球的球半径rj、所述各层同心球的介电常数εj，j＝1,2,…,N
步骤S011：确定同心球层数为6。
步骤S0112：确定内、外球半径比r/R(对应图2为：r1/r6)，取0.4＝r1/r6，设定ε1＝1.91。
步骤S0113：确定内球半径r1与r2、r3、r4、…rn。经过优化计算与仿真验证，各层球的半径值如表1所示。
表1各层球外半径值
需要说明的是，本实施例中r1与r2、r3、r4、r5和r6可等比例缩放。
步骤S014：设计优化介电常数εn(n＝1,2,3,…)。对应6层结构，经优化计算后的各层介电常数如表2所示。
表2各层介电常数值
S02：根据所述具体参数，确定所述各层同心球的所述ABS材料；
本实施例按照三种材料不同目数不同配比的配制原则，考虑介电常数修正值，配制符合各层球体介电常数要求的材料，如表3所示。
表3各层实际配制介电常数值
步骤S03：根据方向图的宽度要求，设置反射镜的参数、材料；
①选用100目的铝粉(AL)加适量DSM Somos 14120光敏树脂；
②按照90度方向图的宽度要求计算出反射镜覆盖面积为外球表面积的1/4。
步骤S04：采用ABS材料的多材质3D打印技术制作球体龙勃电磁透镜反射器装置
参照表1对于的各层半径数据以及表2对各层的介电常数，采用Objet260Connex多材质3D打印机打印6层阶梯变化的介电常数同心球；
按照方向图的宽度90°要求，打印覆盖外球1/4面积的金属反射面，以达到实际要求。
以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种基于ABS材料的球体龙勃电磁透镜反射器的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
S01：设计所述球体龙勃电磁透镜的具体参数，其中，所述参数包括所述球体龙勃电磁透镜的同心球层数N、各层同心球的球半径rj、所述各层同心球的介电常数εj，j＝1,2,…,N；
S02：根据所述具体参数，确定所述各层同心球的所述ABS材料；
S03：根据方向图的宽度要求，设置反射镜的参数、材料；
S04：根据所述步骤S01—所述步骤S03，构建所述球体龙勃电磁透镜反射器的3D模型，并针对所述3D模型，进行多材料3D打印，得到所述球体龙勃电磁透镜反射器。
2.根据权利要求1所述一种基于ABS材料的球体龙勃电磁透镜反射器的制作方法，其特征在于：在所述步骤S01中，具体包括以下步骤：
S011：确定所述龙勃电磁透镜反射器同心球层数N；
S012：确定最内层球半径r1与最外层球半径rN的最大半径比、与最内层球材质的介电常数ε1；
S013：确定各层同心球半径r1、r2、…、rN；
S014：确定所述各层同心球的介电常数ε2、ε3、…、εN。
3.根据权利要求2所述一种基于ABS材料的球体龙勃电磁透镜反射器的制作方法，其特征在于：在所述步骤S013中，所述各层同心球的球半径之间满足：
ri+1-ri＜λ/2，
其中，i＝1,2,…,N-1，λ表示所述龙勃电磁透镜反射器采用的电磁波波长。
4.根据权利要求2所述一种基于ABS材料的球体龙勃电磁透镜反射器的制作方法，其特征在于：在所述步骤S014中，所述各层同心球的介电常数ε1、ε2、ε3、…、εN满足：
ε1＞ε2＞ε3＞…＞εN＞ε0
其中，ε0表示空气的介电常数；且所述介电常数ε1、ε2、ε3、…、εN呈规律阶梯变化。
5.根据权利要求1所述一种基于ABS材料的球体龙勃电磁透镜反射器的制作方法，其特征在于：在所述步骤S02中，采用同目数不同配比、同配比不同目数、不同目数不同配比任一方式确定所述各层同心球的所述ABS材料。
6.根据权利要求1所述一种基于ABS材料的球体龙勃电磁透镜反射器的制作方法，其特征在于：在所述步骤S03中，所述反射镜在最外层球的球面中心，且满足下式：
其中，S表示所述反射镜的面积；Sw表示所述最外层球面的面积。
7.根据权利要求6所述一种基于ABS材料的球体龙勃电磁透镜反射器的制作方法，其特征在于：所述反射镜位于电磁波传播方向的对向球面，且所述反射镜呈球面状。
8.一种基于ABS材料的球体龙勃电磁透镜反射器装置，其特征在于：根据权利要求1-7任一一种基于ABS材料的球体龙勃电磁透镜反射器的制作方法制作的球体龙勃电磁透镜反射器。
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