CN114336078B - 一种高介电常数的异形龙伯透镜 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高介电常数的异形龙伯透镜，包括由由内核向外层依次为第一椭球透镜结构（11）、第二椭球透镜结构（12）及圆球透镜结构（13）的透镜本体，第二椭球透镜结构（12）包裹第一椭球透镜结构（11）、圆球透镜结构（13）包裹第二椭球透镜结构（12），且第一椭球透镜结构（11）、第二椭球透镜结构（12）的中心点与圆球透镜结构（13）的球心为同一点；该异形龙伯透镜采用聚二甲基硅氧烷、钛酸锶及固化剂制备而成，且通过注塑成型模具制备、材料的配置与龙伯透镜的制备步骤获得。该龙伯透镜通过高介电常数制备获得龙伯透镜、使其与低介电常数材料制备得到的龙伯透镜具有相似的性能，同时其结构简单、制备工艺简单、辐射性能好。
Description
技术领域
本发明涉及透镜天线技术领域，具体涉及一种高介电常数的异形龙伯透镜。
背景技术
随着无线通信技术的发展、无线工作频率的不断升高，金属天线由于趋肤效应显著而导致其效率降低；相比之下，龙伯透镜损耗至于材料的损耗正切有关；同时，随着低损耗介质材料的高速发展以及逐步广泛的应用，使得龙伯透镜在电磁对抗、工业互联网、卫星通信、车联网、5G/6G等应用市场具有广阔的前景。
理论上，用于龙伯透镜的介质材料的介电常数从球心到外径应该是从2到1遵从一定的数学规律进行连续变化的，但自然界里不存在这样理想的介质。因此，现有技术中制备龙伯透镜时通常要求介质材料损耗小、各向同性、介质均匀、介电常数几乎不跟随频率变化；然而，制备龙伯透镜所需的低介电常数材料的种类少、价格昂贵、不易获得、且材料介电常数不易控制；相比之下，较高介电常数的材料选择范围广、易获得且高介电常数的龙伯透镜同样能对光线进行准直。故目前常采用控制高介电常数材料的介电常数进行龙伯透镜的制备；如采用聚苯乙烯珠粒与发泡剂在模具内进行高温发泡成型、通过控制珠粒的大小与密度来控制介电常数、实现龙伯透镜的制备，然而，此种方法在发泡过程中难以保证珠粒的一致性、导致介电常数难以控制、导致不合格率占比大、生产效率低，且发泡工艺复杂、透镜质量大、不便于实际生产使用、适用范围窄。同时，现有龙伯透镜通常采用分层设计、球壳拼接的方法制备，即通过逐层发泡、以中间球核为基础、逐层包裹的方式，但这种方法各层分界面明显(由于加工过程中的精度误差)且极易出现层间空气间隙，工艺复杂、成品率低、成本高，介电常数的不连续性会增加透镜的损耗、降低天线的辐射效率。
发明内容
针对以上现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种高介电常数的异形龙伯透镜，该龙伯透镜通过结构与材料的组合，通过高介电常数制备获得龙伯透镜、使其与低介电常数材料制备得到的龙伯透镜具有相似的性能，同时该龙伯透镜结构简单、制备工艺简单，不易出现结构层与结构层之间的层间空气间隙、辐射性能好。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种高介电常数的异形龙伯透镜，其特征在于：包括透镜本体，所述透镜本体由内核向外层依次为第一椭球透镜结构、第二椭球透镜结构以及圆球透镜结构；所述第二椭球透镜结构包裹第一椭球透镜结构、圆球透镜结构包裹第二椭球透镜结构，且所述第一椭球透镜结构、第二椭球透镜结构的中心点与圆球透镜结构的球心为同一点。
作进一步优化，所述第一椭球透镜结构的长轴半径为3.1cm、短轴半径为1.55cm、体积为23.665cm3、介电常数为3.44；所述第二椭球透镜结构的长轴半径为4.6cm、短轴半径为2.3cm、体积为62.430cm3、介电常数为3.2；所述圆球透镜结构的半径为9.5cm、体积为3591.364cm3、介电常数为2.82。
作进一步优化，所述第一椭球透镜结构、第二椭球透镜结构与圆球透镜结构均采用聚二甲基硅氧烷、钛酸锶及固化剂制备而成；所述第一椭圆透镜结构中钛酸锶与聚二甲基硅氧烷的体积百分比为5.736％、聚二甲基硅氧烷与固化剂的重量比为10：1，所述第二椭圆透镜结构中钛酸锶与聚二甲基硅氧烷的体积百分比为3.815％、聚二甲基硅氧烷与固化剂的重量比为10：1，所述圆球透镜结构中钛酸锶与聚二甲基硅氧烷的体积百分比为1.108％、聚二甲基硅氧烷与固化剂的重量比为10：1；通过调控钛酸锶与聚二甲基硅氧烷的不同体积比，从而获得不用的介电常数，最终获得具有连续变化的介电常数，同时，通过调控钛酸锶与聚二甲基硅氧烷的不同体积比，获得较低的损耗正切，避免龙伯透镜在使用过程中损耗严重。
上述高介电常数的异形龙伯透镜的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
a、注塑成型模具制备：首先，根据需要获得的第一椭球透镜结构、第二椭球透镜结构与圆球透镜结构的形状依次通过3D打印技术制备第一注塑成型模具、第二注塑成型模具、第三注塑成型模具、第四注塑成型模具与第五注塑成型模具；所述第一注塑成型模具、第二注塑成型模具、第三注塑成型模具、第四注塑成型模具与第五注塑成型模具均由上半壳与下半壳组成；
所述第一注塑成型模具的上、下半壳的内腔均与第一椭球透镜结构的形状对应(即其内腔组成一个完整的椭球)，所述第二注塑成型模具的上半壳内腔与第二椭球透镜结构的形状对应、下半壳内腔与第一椭球透镜结构的形状对应(即其上半壳为一个大的半椭球形状、下半壳为一个较小的半椭球形状)，所述第三注塑成型模具的上、下半壳内腔均与第二椭球透镜结构的形状对应(即其内腔组成一个完整的椭球)，所述第四注塑成型模具的上半壳内腔与圆球透镜结构的形状对应、下半壳内腔与第二椭球透镜结构的形状对应(即其上半壳为半球形状、下半壳为半椭球形状)，所述第五注塑成型模具的上、下半壳内腔均与圆球透镜结构的形状对应(即其内腔组成一个完整的圆球)；
b、材料的配置：
b1、首先分别称取第一椭球透镜结构、第二椭球透镜结构与圆球透镜结构所需体积分数的聚二甲基硅氧烷与钛酸锶粉体，并分别在行星式搅拌机中混合除气；
b2、将步骤b1中混合除气后的复合材料放置在真空炉中进行脱泡处理、直至表面没有气泡产生；
b3、将步骤b2中经脱泡处理的复合材料与对应比例的固化剂加入到搅拌器中进行混合；然后将混合后的材料转移至注射器中，并将注射器放置在真空炉内进行脱泡；
c、龙伯透镜的制备：
c1、第一椭球透镜结构制备：将配置完成的第一椭球透镜结构对应的材料注入第一注塑成型模具，然后在真空炉中脱泡，脱泡完成后再在真空炉中进行固化、完成第一椭球透镜结构的制备；
c2、第二椭球透镜结构制备：首先将步骤c1中获得的第一椭球透镜结构放入第二注塑成型模具中，使得第一椭球透镜结构外壁与第二注塑成型模具的下半壳内腔壁紧密接触，再向第二注塑成型模具的上半壳注射配置完成的第二椭球透镜结构对应的材料，然后在真空炉中脱泡，脱泡完成后再在真空炉中进行固化、完成半边第二椭球透镜结构的制备；然后将制备得到的半边第二椭球透镜结构转入第三注塑成型模具中，使得制备得到的半边第二椭球透镜结构的外壁与第三注塑成型模具的下半壳内腔壁紧密接触，再向第三注塑成型模具的上半壳注射配置完成的第二椭球透镜结构对应的材料，然后在真空炉中脱泡，脱泡完成后再在真空炉中进行固化、完成第二椭球透镜结构整体的制备；
c3、圆球透镜结构的制备：首先将步骤c2中获得的第二椭球透镜结构放入第四注塑成型模具中，使得第二椭球透镜结构外壁与第四注塑成型模具的下半壳内腔壁紧密接触，再向第四注塑成型模具的上半壳注射配置完成的圆球透镜结构对应的材料，然后在真空炉中脱泡，脱泡完成后再在真空炉中进行固化、完成半边圆球透镜结构的制备；然后将制备得到的半边圆球透镜结构转入第五注塑成型模具中，使得制备得到的半边圆球透镜结构的外壁与第五注塑成型模具的下半壳内腔壁紧密接触，再向第五注塑成型模具的上半壳注射配置完成的圆球透镜结构对应的材料，然后在真空炉中脱泡，脱泡完成后再在真空炉中进行固化、完成圆球透镜结构整体的制备，获得异形龙伯透镜。
作进一步优化，所述第一注塑成型模具、第二注塑成型模具、第三注塑成型模具、第四注塑成型模具与第五注塑成型模具采用尼龙与玻璃纤维制备而成。
优选的，所述玻璃纤维的重量占所述尼龙重量的30％。
作进一步优化，所述第一注塑成型模具、第二注塑成型模具、第三注塑成型模具、第四注塑成型模具与第五注塑成型模具的上半壳与下半壳之间均通过螺母与螺钉实现密封紧固连接。
作进一步优化，所述注射器采用鲁尔注射器。
作进一步优化，所述第一注塑成型模具、第二注塑成型模具、第三注塑成型模具、第四注塑成型模具与第五注塑成型模具上均设置注射孔与排气孔，所述注射孔上设置与鲁尔注射器连接的螺纹，且注射孔设置在模具(即第一注塑成型模具、第二注塑成型模具、第三注塑成型模具、第四注塑成型模具与第五注塑成型模具)的上半壳中部且倾斜向上，便于注射器自下而上进行注射、避免注射过程中材料与空气接触而产生多余气泡，排气孔设置在模具(即第一注塑成型模具、第二注塑成型模具、第三注塑成型模具、第四注塑成型模具与第五注塑成型模具)的顶端，便于在真空固化过程中除去材料中的气泡。
作进一步优化，所述步骤b1中混合时间为1.5～3min、除气时间为7～10min。
作进一步优化，所述步骤b3中的搅拌混合时间为1.5～3min。
作进一步优化，所述步骤b与c中的脱泡处理均采用27in-Hg的真空炉，且脱泡时间均为30～35min。
作进一步优化，所述步骤c中真空炉固化温度为58～62℃，固化时间为2.5～3.5h。
作进一步优化，所述步骤c中完成第一椭球透镜结构、第二椭球透镜结构与圆球透镜结构固化成型、取出模具后，对透镜结构(第一椭球透镜结构、第二椭球透镜结构与圆球透镜结构)表面进行打磨，以去除注射孔及透气孔产生的毛刺。
作进一步优化，为了便于测试，所述龙伯透镜还包括天线底座，所述天线底座采用密度为0.5的甲基丙烯酰亚胺泡沫加工而成，其在X波段的介电常数为1.07。
本发明具有如下技术效果：
本申请通过特定材料与异形结构的组合，获得工作于X波段的高介电常数的异形龙伯透镜天线，实现了与低介电常数龙伯透镜天线相似的性能；该龙伯透镜天线通过材料与结构的相互配合，有效避免现有分层设计、球壳拼接的方法制备龙伯透镜易出现的层间空气间隙，从而保证龙伯透镜的辐射性能；同时，该龙伯透镜材料易加工、比重低，与增材制造材料具有良好的兼容性，且介电损耗低(小于0.007)，能够有效保证龙伯透镜的使用性能及扫描能力。本申请龙伯透镜质量轻、材料制备过程简单、制作周期短且在低温下即可无缝成型，有效节省了制备时间、提高制备效率，且保证龙伯透镜的应用范围广。
附图说明
图1为本发明实施例中异形龙伯透镜的结构示意图。
图2为本发明实施例中第一注塑成型模具的结构示意图。
图3为本发明实施例中第二注塑成型模具的结构示意图。
图4为本发明实施例中第三注塑成型模具的结构示意图。
图5为本发明实施例中第四注塑成型模具的结构示意图。
图6为本发明实施例中第五注塑成型模具的结构示意图。
图7为本发明实施例中注塑成型模具的3D打印实物图；其中，图7(a)为第一注塑成型模具的实物图，图7(b)为第二注塑成型模具的实物图，图7(c)为第三注塑成型模具的实物图，图7(d)为第四注塑成型模具的实物图，图7(e)为第五注塑成型模具的实物图，图7(f)为注塑成型后龙伯透镜样品的实物图。
图8为本发明实施例中制得的龙伯透镜在X波段的仿真与实际测试的辐射方向图；其中，图8(a)为在X波段的S11时的辐射方向图，图8(b)为在8.5GHz的辐射方向图，图8(c)为在10GHz的辐射方向图，图8(d)为在12GHz的辐射方向图。
图9为本发明实施例中制得的龙伯透镜在10GHz时的仿真与实际测试的扫描方向图。
其中，11、第一椭球透镜结构；12、第二椭球透镜结构；13、圆球透镜结构。
具体实施方式
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，都属于本发明保护的范围。
实施例：
如图1～7所示，一种高介电常数的异形龙伯透镜，其特征在于：包括透镜本体，透镜本体由内核向外层依次为第一椭球透镜结构11、第二椭球透镜结构12以及圆球透镜结构13；第二椭球透镜结构12包裹第一椭球透镜结构11、圆球透镜结构13包裹第二椭球透镜结构12，且第一椭球透镜结构11、第二椭球透镜结构12的中心点与圆球透镜结构13的球心为同一点。
如图1所示，第一椭球透镜结构11的长轴半径A1为3.1cm、短轴半径B1为1.55cm、体积为23.665cm3、介电常数为3.44；第二椭球透镜结构12的长轴半径A2为4.6cm、短轴半径B2为2.3cm、体积为62.430cm3、介电常数为3.2；圆球透镜结构的半径R为9.5cm、体积为3591.364cm3、介电常数为2.82。
第一椭球透镜结构11、第二椭球透镜结构12与圆球透镜结构13均采用聚二甲基硅氧烷(PDMS，美国，Dow Corning，Sylgard184)、钛酸锶(分子式为SrTiO3，Sigma-Aldrich，平均粒径为5μm，密度为4.81g/ml)及固化剂(固化剂采用美国道康宁184硅橡胶中与硅橡胶配套的固化剂)制备而成；第一椭圆透镜结构11中钛酸锶与聚二甲基硅氧烷的体积百分比为5.736％、聚二甲基硅氧烷与固化剂的重量比为10：1，第二椭圆透镜结构12中钛酸锶与聚二甲基硅氧烷的体积百分比为3.815％、聚二甲基硅氧烷与固化剂的重量比为10：1，圆球透镜结构13中钛酸锶与聚二甲基硅氧烷的体积百分比为1.108％、聚二甲基硅氧烷与固化剂的重量比为10：1；通过调控钛酸锶与聚二甲基硅氧烷的不同体积比，从而获得不用的介电常数，最终获得具有连续变化的介电常数，同时，通过调控钛酸锶与聚二甲基硅氧烷的不同体积比，获得较低的损耗正切，避免龙伯透镜在使用过程中损耗严重。
聚二甲基硅氧烷与钛酸锶粉体混合材料的介电常数与体积比的关系由下述多项式获得：
εr,eff＝agv7+bgv6+cgv5+dgv4+egv3+fgv2+ggv+h；
式中，εr,eff为聚二甲基硅氧烷与钛酸锶粉体混合材料的介电常数；v为钛酸锶粉体与聚二甲基硅氧烷的体积比；a、b、c、d、e、f、g、h均为系数值，其具体值如下表：
| a | -152400 | e | -2722 |
| b | 184000 | f | 185.6 |
| c | -87870 | g | 7.156 |
| d | 21300 | h | 2.75 |
上述高介电常数的异形龙伯透镜的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
a、注塑成型模具制备：首先，根据需要获得的第一椭球透镜结构11、第二椭球透镜结构12与圆球透镜结构13的形状依次通过3D打印技术制备第一注塑成型模具(如图2所示)、第二注塑成型模具(如图3所示)、第三注塑成型模具(如图4所示)、第四注塑成型模具(如图5所示)与第五注塑成型模具(如图6所示)；第一注塑成型模具、第二注塑成型模具、第三注塑成型模具、第四注塑成型模具与第五注塑成型模具均由上半壳与下半壳组成；第一注塑成型模具、第二注塑成型模具、第三注塑成型模具、第四注塑成型模具与第五注塑成型模具采用尼龙与玻璃纤维制备而成，玻璃纤维的重量占尼龙重量的30％；第一注塑成型模具、第二注塑成型模具、第三注塑成型模具、第四注塑成型模具与第五注塑成型模具的上半壳与下半壳之间均通过螺母与螺钉实现密封紧固连接。
第一注塑成型模具的上、下半壳的内腔均与第一椭球透镜结构11的形状对应(即其内腔组成一个完整的椭球、如图2所示)，第二注塑成型模具的上半壳内腔与第二椭球透镜结构12的形状对应、下半壳内腔与第一椭球透镜结构11的形状对应(即其上半壳为一个大的半椭球形状、下半壳为一个较小的半椭球形状、如图3所示)，第三注塑成型模具的上、下半壳内腔均与第二椭球透镜结构的形状对应(即其内腔组成一个完整的椭球、如图4所示)，第四注塑成型模具的上半壳内腔与圆球透镜结构13的形状对应、下半壳内腔与第二椭球透镜结构12的形状对应(即其上半壳为半球形状、下半壳为半椭球形状、如图5所示)，第五注塑成型模具的上、下半壳内腔均与圆球透镜结构13的形状对应(即其内腔组成一个完整的圆球、如图6所示)；
第一注塑成型模具、第二注塑成型模具、第三注塑成型模具、第四注塑成型模具与第五注塑成型模具上均设置注射孔与排气孔，注射孔上设置与鲁尔注射器连接的螺纹，且注射孔设置在模具(即第一注塑成型模具、第二注塑成型模具、第三注塑成型模具、第四注塑成型模具与第五注塑成型模具)的上半壳中部且倾斜向上，便于注射器自下而上进行注射、避免注射过程中材料与空气接触而产生多余气泡，排气孔设置在模具(即第一注塑成型模具、第二注塑成型模具、第三注塑成型模具、第四注塑成型模具与第五注塑成型模具)的顶端，便于在真空固化过程中除去材料中的气泡。
b、材料的配置：
b1、首先分别称取第一椭球透镜结构11、第二椭球透镜结构12与圆球透镜结构13所需体积分数的聚二甲基硅氧烷与钛酸锶粉体，并分别在AR-310行星式搅拌机中混合除气、混合时间为1.5～3min(优选2min)、除气时间为7～10min(优选8min)；
b2、将步骤b1中混合除气后的复合材料放置在27in-Hg的真空炉中进行脱泡处理30～35min(优选30min)、直至表面没有气泡产生；
b3、将步骤b2中经脱泡处理的复合材料与对应比例的固化剂加入到搅拌器中进行混合1.5～3min(优选2min)；然后将混合后的材料转移至鲁尔注射器中，并将鲁尔注射器放置在27in-Hg的真空炉内进行脱泡30～35min(优选30min)；
c、龙伯透镜的制备：
c1、第一椭球透镜结构11制备：将配置完成的第一椭球透镜结构11对应的材料(通过步骤b获得)通过鲁尔注射器注入第一注塑成型模具，然后在27in-Hg的真空炉中脱泡30～35min(优选30min)，脱泡完成后再在真空炉中进行固化、固化温度为58～62℃(优选60℃)、固化时间为2.5～3.5h(优选3h)，固化完成后、将样件取出第一注塑成型模具，然后进行对固化后样件表面进行打磨(即第一椭球透镜结构11表面)，以去除注射孔及透气孔产生的毛刺，完成第一椭球透镜结构11的制备；
c2、第二椭球透镜结构12制备：首先将步骤c1中获得的第一椭球透镜结构11放入第二注塑成型模具中，使得第一椭球透镜结构11外壁与第二注塑成型模具的下半壳内腔壁紧密接触，再向第二注塑成型模具的上半壳注射配置完成的第二椭球透镜结构12对应的材料(通过步骤b获得)，然后在27in-Hg的真空炉中脱泡30～35min(优选30min)，脱泡完成后再在真空炉中进行固化、固化温度为58～62℃(优选60℃)、固化时间为2.5～3.5h(优选3h)，固化完成后、将样件取出第二注塑成型模具，然后进行对固化后样件表面进行打磨(即半边第二椭球透镜结构12表面)，以去除注射孔及透气孔产生的毛刺，完成半边第二椭球透镜结构12的制备(即图3所示上半部分的第二椭球透镜结构12的制备)；然后将制备得到的半边第二椭球透镜结构12转入第三注塑成型模具中，使得制备得到的半边第二椭球透镜结构12的外壁与第三注塑成型模具的下半壳内腔壁紧密接触，再向第三注塑成型模具的上半壳注射配置完成的第二椭球透镜结构12对应的材料(通过步骤b获得)，然后在27in-Hg的真空炉中脱泡30～35min(优选30min)，脱泡完成后再在真空炉中进行固化、固化温度为58～62℃(优选60℃)、固化时间为2.5～3.5h(优选3h)，固化完成后、将样件取出第三注塑成型模具，然后进行对固化后样件表面进行打磨(即另外半边第二椭球透镜结构12表面)，以去除注射孔及透气孔产生的毛刺，完成第二椭球透镜结构12整体的制备；
c3、圆球透镜结构13的制备：首先将步骤c2中获得的第二椭球透镜结构12放入第四注塑成型模具中，使得第二椭球透镜结构12外壁与第四注塑成型模具的下半壳内腔壁紧密接触，再向第四注塑成型模具的上半壳注射配置完成的圆球透镜结构13对应的材料(通过步骤b获得)，然后在27in-Hg的真空炉中脱泡30～35min(优选30min)，脱泡完成后再在真空炉中进行固化、固化温度为58～62℃(优选60℃)、固化时间为2.5～3.5h(优选3h)，固化完成后、将样件取出第四注塑成型模具，然后进行对固化后样件表面进行打磨(即半边圆球透镜结构13表面)，以去除注射孔及透气孔产生的毛刺，完成半边圆球透镜结构13的制备(即图5所示上半部分圆球透镜结构13的制备)；然后将制备得到的半边圆球透镜结构13转入第五注塑成型模具中，使得制备得到的半边圆球透镜结构13的外壁与第五注塑成型模具的下半壳内腔壁紧密接触，再向第五注塑成型模具的上半壳注射配置完成的圆球透镜结构13对应的材料(通过步骤b获得)，然后在27in-Hg的真空炉中脱泡30～35min(优选30min)，脱泡完成后再在真空炉中进行固化、固化温度为58～62℃(优选60℃)、固化时间为2.5～3.5h(优选3h)，固化完成后、将样件取出第五注塑成型模具，然后进行对固化后样件表面进行打磨(即另外半边圆球透镜结构13表面)，以去除注射孔及透气孔产生的毛刺，完成圆球透镜结构13整体的制备，获得异形龙伯透镜。
d、为了便于测试，龙伯透镜还包括天线底座，天线底座采用密度为0.5的甲基丙烯酰亚胺泡沫加工而成，其在X波段的介电常数为1.07、接近空气，对透镜天线测试结果的影响几乎可以忽略。
如图8所示，本申请制得的异形龙伯透镜在8.2～12.4GHz范围内S11均处于-20dB以下，满足能量传递的要求。同时，在8.5GHz、10GHz、12GHz时的仿真增益值分别为21.1dBi、22.2dBi、22.8dBi，实测值分别为20.8dBi、22.4dBi、22.6dBi，旁瓣电平均低于-19dB，测试结果与仿真结果基本吻合。
如图9所示，本申请制得的异形龙伯透镜天线在方位面上扫描到±54°时天线的增益下降仅为0.7dBi，表明该异形龙伯透镜的组合结构并未显著影响天线的全方位扫描能力。
同时，本申请龙伯透镜在低温下即可无缝成型、透镜质量小(为3.5kg)，易于安装。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种高介电常数的异形龙伯透镜，其特征在于：包括透镜本体，所述透镜本体由内核向外层依次为第一椭球透镜结构（11）、第二椭球透镜结构（12）以及圆球透镜结构（13）；所述第二椭球透镜结构（12）包裹第一椭球透镜结构（11）、圆球透镜结构（13）包裹第二椭球透镜结构（12），且所述第一椭球透镜结构（11）、第二椭球透镜结构（12）的中心点与圆球透镜结构（13）的球心为同一点；
所述第一椭球透镜结构（11）、第二椭球透镜结构（12）与圆球透镜结构（13）均采用聚二甲基硅氧烷、钛酸锶及固化剂制备而成；所述第一椭球透镜结构（11）中钛酸锶与聚二甲基硅氧烷的体积百分比为5.736%、聚二甲基硅氧烷与固化剂的重量比为10：1，所述第二椭球透镜结构（12）中钛酸锶与聚二甲基硅氧烷的体积百分比为3.815%、聚二甲基硅氧烷与固化剂的重量比为10：1，所述圆球透镜结构（13）中钛酸锶与聚二甲基硅氧烷的体积百分比为1.108%、聚二甲基硅氧烷与固化剂的重量比为10：1。
2.根据权利要求1所述的一种高介电常数的异形龙伯透镜，其特征在于：所述第一椭球透镜结构（11）的长轴半径为3.1cm、短轴半径为1.55cm、体积为23.665cm3、介电常数为3.44；所述第二椭球透镜结构（12）的长轴半径为4.6cm、短轴半径为2.3cm、体积为62.430cm3、介电常数为3.2；所述圆球透镜结构（13）的半径为9.5cm、体积为3591.364cm3、介电常数为2.82。
3.根据权利要求2所述的一种高介电常数的异形龙伯透镜的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
a、注塑成型模具制备：首先，根据需要获得的第一椭球透镜结构（11）、第二椭球透镜结构（12）与圆球透镜结构（13）的形状依次通过3D打印技术制备第一注塑成型模具、第二注塑成型模具、第三注塑成型模具、第四注塑成型模具与第五注塑成型模具；所述第一注塑成型模具、第二注塑成型模具、第三注塑成型模具、第四注塑成型模具与第五注塑成型模具均由上半壳与下半壳组成；
所述第一注塑成型模具的上、下半壳的内腔均与第一椭球透镜结构（11）的形状对应，所述第二注塑成型模具的上半壳内腔与第二椭球透镜结构（12）的形状对应、下半壳内腔与第一椭球透镜结构（11）的形状对应，所述第三注塑成型模具的上、下半壳内腔均与第二椭球透镜结构（12）的形状对应，所述第四注塑成型模具的上半壳内腔与圆球透镜结构（13）的形状对应、下半壳内腔与第二椭球透镜结构（12）的形状对应，所述第五注塑成型模具的上、下半壳内腔均与圆球透镜结构（13）的形状对应；
b、材料的配置：
b1、首先分别称取第一椭球透镜结构（11）、第二椭球透镜结构（12）与圆球透镜结构（13）所需体积分数的聚二甲基硅氧烷与钛酸锶粉体，并分别在行星式搅拌机中混合除气；
b2、将步骤b1中混合除气后的复合材料放置在真空炉中进行脱泡处理、直至表面没有气泡产生；
b3、将步骤b2中经脱泡处理的复合材料与对应比例的固化剂加入到搅拌器中进行混合；然后将混合后的材料转移至注射器中，并将注射器放置在真空炉内进行脱泡；
c、龙伯透镜的制备：
c1、第一椭球透镜结构（11）制备：将配置完成的第一椭球透镜结构（11）对应的材料注入第一注塑成型模具，然后在真空炉中脱泡，脱泡完成后再在真空炉中进行固化、完成第一椭球透镜结构（11）的制备；
c2、第二椭球透镜结构（12）制备：首先将步骤c1中获得的第一椭球透镜结构放入第二注塑成型模具中，使得第一椭球透镜结构（11）外壁与第二注塑成型模具的下半壳内腔壁紧密接触，再向第二注塑成型模具的上半壳注射配置完成的第二椭球透镜结构（12）对应的材料，然后在真空炉中脱泡，脱泡完成后再在真空炉中进行固化、完成半边第二椭球透镜结构（12）的制备；然后将制备得到的半边第二椭球透镜结构（12）转入第三注塑成型模具中，使得制备得到的半边第二椭球透镜结构（12）的外壁与第三注塑成型模具的下半壳内腔壁紧密接触，再向第三注塑成型模具的上半壳注射配置完成的第二椭球透镜结构（12）对应的材料，然后在真空炉中脱泡，脱泡完成后再在真空炉中进行固化、完成第二椭球透镜结构（12）整体的制备；
c3、圆球透镜结构（13）的制备：首先将步骤c2中获得的第二椭球透镜结构（12）放入第四注塑成型模具中，使得第二椭球透镜结构（12）外壁与第四注塑成型模具的下半壳内腔壁紧密接触，再向第四注塑成型模具的上半壳注射配置完成的圆球透镜结构（13）对应的材料，然后在真空炉中脱泡，脱泡完成后再在真空炉中进行固化、完成半边圆球透镜结构（13）的制备；然后将制备得到的半边圆球透镜结构（13）转入第五注塑成型模具中，使得制备得到的半边圆球透镜结构（13）的外壁与第五注塑成型模具的下半壳内腔壁紧密接触，再向第五注塑成型模具的上半壳注射配置完成的圆球透镜结构（13）对应的材料，然后在真空炉中脱泡，脱泡完成后再在真空炉中进行固化、完成圆球透镜结构（13）整体的制备，获得异形龙伯透镜。
4.根据权利要求3所述的一种高介电常数的异形龙伯透镜的制备方法，所述注射器采用鲁尔注射器。
5.根据权利要求3或4所述的一种高介电常数的异形龙伯透镜的制备方法，所述第一注塑成型模具、第二注塑成型模具、第三注塑成型模具、第四注塑成型模具与第五注塑成型模具上均设置注射孔与排气孔，所述注射孔上设置与鲁尔注射器连接的螺纹，且注射孔设置在模具的上半壳中部且倾斜向上，排气孔设置在模具的顶端。
6.根据权利要求5所述的一种高介电常数的异形龙伯透镜的制备方法，所述步骤b1中混合时间为1.5～3min、除气时间为7～10min。
7.根据权利要求3所述的一种高介电常数的异形龙伯透镜的制备方法，所述步骤b3中的搅拌混合时间为1.5～3min。
8.根据权利要求3所述的一种高介电常数的异形龙伯透镜的制备方法，所述步骤b与c中的脱泡处理均采用27 in-Hg的真空炉，且脱泡时间均为30～35min。
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