CN108987926B - 一种龙勃透镜阵列收发天线装置的制作方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种龙勃透镜阵列收发天线装置的制作方法及装置，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，得到一种龙勃透镜阵列天线装置。本发明所提供的方法具有简便、灵活、简单、可靠的特点；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，作为龙勃透镜阵列天线装置，可应用于目标位置搜索、检测、定位、跟踪等。同时，本发明所得到的装置采用龙勃透镜结构与不同阵列方式，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及阵列方式以满足不同性能的需求。

Description

一种龙勃透镜阵列收发天线装置的制作方法及装置
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种龙勃透镜阵列收发天线装置的制作方法及装置。
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异于常规龙勃制造材料、工艺、结构、低成本的龙勃电磁透镜反射器的共行无源指示器的制作方法及装置。
本发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种龙勃透镜阵列收发天线装置的制作方法及装置。
本发明采用如下技术方案：
一方面，本发明提供了一种龙勃透镜阵列收发天线装置的制作方法，所述龙勃透镜阵列收发天线装置，由阵元、阵元电路和阵列组成；所述阵元由龙勃透镜和馈元组成，其中，所述馈元由信号馈针、抛物馈锥和球面馈面组成；所述阵元电路由馈线与所述信号馈针相连接；所述阵列的结构是基于多种材质3D打印成型技术一次性成型制作共形阵列结构。
优选的，在本发明中，具体包括以下步骤：
S01：设计共形阵的结构尺寸、形状及共形阵材料；
S02：设计阵元的结构尺寸、电气参数及阵元材料；
S03：设计馈元结构；
S04：根据所述步骤S01-S03，构建所述龙勃透镜阵列收发天线装置的3D模型，并针对所述3D模型，进行多材料3D打印，得到所述龙勃透镜阵列收发天线装置。
优选的，在本发明中，所述共形阵的结构具体为平面阵、圆柱阵、球体阵之一；
所述共形阵材料与所述阵元的最外层球体材料一致。
优选的，在本发明中，所述步骤S02包括以下步骤：
S021：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；
S022：根据所述具体参数，确定所述各层同心球的所述ABS材料；
S023：根据方向图的宽度要求，设置反射镜的参数、材料。
优选的，在本发明中，在所述步骤S021中，具体包括以下步骤：
S0211：确定所述龙勃电磁透镜反射器同心球层数N；
S0212：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；
S0213：确定各层同心球半径r1、r2、…、rN；
S0214：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S022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S023中，所述反射镜在最外层球的球面中心，且满足下式：
Figure BDA0001735597250000031
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，所述馈元中的所述抛物馈锥的口径D1、所述球面馈面的口径D2、所述球面馈面的球半径R的关系为：
Figure BDA0001735597250000032
另一方面，本发明还提供了一种龙勃透镜阵列收发天线装置，根据权利要求1-8任一一种龙勃透镜阵列收发天线装置的制作方法制作的龙勃透镜阵列收发天线装置。
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，得到基于龙勃电磁波透镜反射器的龙勃透镜阵列收发天线装置，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，作为龙勃透镜阵列收发天线装置，可应用于目标位置搜索、检测、定位、跟踪等。
3.本发明所得到的装置采用球体龙勃透镜结构与不同阵列方式，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及阵列方式以满足不同性能的需求。
附图说明
图1为球体龙勃电磁透镜反射器的工作原理图；
图2为本发明一实施例球体龙勃电磁透镜反射器结构示意图；
图3为本发明一实施例馈元结构示意图；
图4为本发明一实施例馈元电路图；
图5为本发明一圆柱形共形阵列天线结构示意图；
图6为本发明一平面形共形阵列天线结构示意图。
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。
一方面，本发明提供了一种龙勃透镜阵列收发天线装置的制作方法，所述龙勃透镜阵列收发天线装置，由阵元、阵元电路和阵列组成；所述阵元由龙勃透镜和馈元组成，其中，所述馈元由信号馈针、抛物馈锥和球面馈面组成；所述阵元电路由馈线与所述信号馈针相连接；所述阵列的结构是基于多种材质3D打印成型技术一次性成型制作共形阵列结构。
优选的，在本发明中，具体包括以下步骤：
S01：设计共形阵的结构尺寸、形状及共形阵材料；
具体的，所述共形阵可为平面形、圆柱形、球体形以及其他常用阵列方式，或者依据实际情况，设置不同的阵列方式。其中，每种阵列结构形式可以有不同的阵元排列分布方案，平面阵可实现垂直信号反射、柱面阵可实现沿圆周方向扇形信号反射、球体形可实现放射状信号反射等。
同时，为了简化制作工艺、降低成本，同时兼顾共形阵结构的结合强度，共形阵的支持结构材料选用与阵元最外层球体材料一致的材料。
S02：设计阵元的结构尺寸、电气参数及阵元材料；
优选的，在本发明中，所述步骤S02包括以下步骤：
S021：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；
优选的，在本发明中，在所述步骤S021中，具体包括以下步骤：
S0211：确定所述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。
S0212：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；
S0213：确定各层同心球半径r1、r2、…、rN；
S0214：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S0213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S0214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。
S022：根据所述具体参数，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S022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。
S023：根据方向图的宽度要求，设置反射镜的参数、材料。
优选的，在本发明中，在所述步骤S023中，所述反射镜在最外层球的球面中心，且满足下式：
Figure BDA0001735597250000081
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。
S03：设计馈元结构；
优选的，在本发明中，所述馈元中的所述抛物馈锥的口径D1、所述球面馈面的口径D2、所述球面馈面的球半径R的关系为：
Figure BDA0001735597250000091
如图3所示，所述馈元由信号馈针、抛物馈锥、球面馈面组成；信号馈针由直径d＝0.5mm～1.2mm铜质材料制成；抛物馈锥结构尺寸为y2＝2px(p为焦距)，口径D1＝0.9λ(λ为电磁波波长，对应频率f＝77GHz时波长为λ＝3.896mm，对应的D1＝0.9λ＝3.5mm)，由铝质材料经3D打印制成；所述球面馈面的口径D2、半径R等于阵元龙勃电磁透镜半径，口径
Figure BDA0001735597250000092
由铝质材料经3D打印制成。
S04：根据所述步骤S01-S03，构建所述龙勃透镜阵列收发天线装置的3D模型，并针对所述3D模型，进行多材料3D打印，得到所述龙勃透镜阵列收发天线装置。
另一方面，本发明还提供了一种龙勃透镜阵列收发天线装置，根据权利要求1-8任一一种龙勃透镜阵列收发天线装置的制作方法制作的龙勃透镜阵列收发天线装置。
下面以具体实施例进行对本发明所提出的一种龙勃透镜阵列收发天线装置的制作方法进行说明，如图2所示。
具体，本实施方式以基于6层结构龙勃电磁透镜反射器进行阵列天线装置的制作方法为例进行说明。
S01、设计共形阵的结构、形状、尺寸
共形阵采用圆柱形阵列。采用图2所示的6层球体龙勃电磁透镜发射器结构；圆柱形共形阵列天线结构示意图如图5所示。实施例共形支撑圆柱体外径R外＝80mm，内径R内＝76mm，透镜直径Φ＝10mm，阵元圆周分布为10个，轴向分布10行，曲面阵共计10×10＝100个阵元。阵列支撑材料采用硅胶材料。
其中，圆柱形共形阵的外形尺寸可以灵活选择，以不超过3D打印设备的打印极限尺寸为限。
S02：设计阵元的结构尺寸、电气参数及阵元材料；
S021、设置龙勃电磁透镜发射器单元
S0211：确定同心球层数为6。
步S0212：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。
S0213：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
Figure BDA0001735597250000101
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。
S0214：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
Figure BDA0001735597250000111
S022：根据所述具体参数，确定所述各层同心球的所述ABS材料；
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。
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
Figure BDA0001735597250000112
步骤S023：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。
S03、设计所述天线装置的馈元结构
信号馈针由直径d＝0.5mm～1.2mm铜质材料制成；抛物馈锥结构尺寸为y2＝2px(p为焦距)，口径D1＝0.9λ(λ为电磁波波长，对应频率f＝77GHz时波长为λ＝3.896mm，对应的D1＝0.9λ＝3.5mm)，由铝质材料经3D打印制成；所述球面馈面的口径D2、半径R等于阵元龙勃电磁透镜半径，口径
Figure BDA0001735597250000121
由铝质材料经3D打印制成。
针对应用于77GHZ电磁频段，馈元结构参数设计如表3所示。
表3馈元结构参数
Figure BDA0001735597250000122
S04、龙勃透镜阵列收发天线装置进行多材质3D打印
步S041：采用ABS材料的多材质3D打印技术制作龙勃透镜阵列收发天线装置。
S042：配置特定介电常数的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4所示。
表4各层实际配制介电常数值
Figure BDA0001735597250000131
S043：配置反射镜打印材料并计算参数
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。
S044:多材质3D打印
进一步，构建龙勃透镜阵列收发天线装置结构3D模型、生产打印代码。借助3D图形设计工具软件，设计构建龙勃透镜阵列收发天线装置结构3D模型，生成并导出3D模型；使用3D打印软件调整3D模型，调整它的比例大小等，设置打印参数。打印龙勃透镜阵列收发天线装置。
此外，本发明还提供了当共形阵采用平面形阵列。其中，图6为平面形共形阵列天线结构示意图，龙勃透镜阵列收发天线装置的的效果示意图。
通过设定各阵元反射镜的轴线方向，可以使得共形阵无源电磁反射目标指示器对电磁波具有反射聚焦的效果，焦距f和聚焦角α可通过改变阵元反射镜的轴线方向实现可调。图5所示为以平面阵为例，给出调整阵元安装方向后获得的聚焦效果示意图，其中f和α可通过改变阵元反射镜的轴线位置实现可调。
步骤7：结合共形阵结构的结合强度，圆柱形共形阵的支持结构材料选用与阵元最外层球体材料一致。实际应用中，共形阵的支持结构材料选用可按照3D打印机的工艺要求，按照需要选择，将所示天线装置固定于圆柱面支撑体上，形成共形阵。
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 (6)

1.一种龙勃透镜阵列收发天线装置的制作方法，其特征在于：所述龙勃透镜阵列收发天线装置，由阵元、阵元电路和阵列组成；所述阵元由龙勃透镜和馈元组成，其中，所述馈元由信号馈针、抛物馈锥和球面馈面组成；所述阵元电路由馈线与所述信号馈针相连接；所述阵列的结构是基于多种材质3D打印成型技术一次性成型制作共形阵列结构；包括以下步骤：
S01：设计共形阵的结构尺寸、形状及共形阵材料；
S02：设计阵元的结构尺寸、电气参数及阵元材料；
所述步骤S02包括以下步骤：
S021：设计所述龙勃透镜的具体参数，其中，所述参数包括所述龙勃透镜的同心球的层数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；
S022：根据所述具体参数，确定所述各层同心球的ABS材料；
S023：根据方向图的宽度要求，设置反射镜的参数、材料；
在所述步骤S022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；
S03：设计馈元结构；
S04：根据所述步骤S01-S03，构建所述龙勃透镜阵列收发天线装置的3D模型，并针对所述3D模型，进行多材料3D打印，得到所述龙勃透镜阵列收发天线装置。
2.根据权利要求1所述一种龙勃透镜阵列收发天线装置的制作方法，其特征在于：
所述共形阵的结构具体为平面阵、圆柱阵、球体阵之一；
所述共形阵材料与所述阵元的最外层球体材料一致。
3.根据权利要求2所述一种龙勃透镜阵列收发天线装置的制作方法，其特征在于：
在所述步骤S021中，具体包括以下步骤：
S0211：确定所述龙勃透镜同心球的层数N；
S0212：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；
S0213：确定各层同心球半径r1、r2、…、rN；
S0214：确定所述各层同心球的介电常数ε2、ε3、…、εN。
4.根据权利要求3所述一种龙勃透镜阵列收发天线装置的制作方法，其特征在于：
在所述步骤S023中，所述反射镜在最外层球的球面中心，且满足下式：
Figure FDA0003154617750000021
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。
5.根据权利要求1所述一种龙勃透镜阵列收发天线装置的制作方法，其特征在于：
所述馈元中的所述抛物馈锥的口径D1、所述球面馈面的口径D2、所述球面馈面的球半径R的关系为：
Figure FDA0003154617750000022
6.一种龙勃透镜阵列收发天线装置，其特征在于：根据权利要求1-5任意一种龙勃透镜阵列收发天线装置的制作方法制作的龙勃透镜阵列收发天线装置。
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