CN115107304A - 一种龙伯透镜半球的制备方法及龙伯透镜天线 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种龙伯透镜半球的制备方法及龙伯透镜天线，所述龙伯透镜半球的制备方法中，从第二层开始，从里向外逐层进行加热发泡并自然冷却固化；发泡原料、制备好的内层依次放入半球模具的内表面进行加热固化。通过将制备好的内层作为模具一部分与外一层发泡原料继续加热膨胀，可更好地获得致密性更高、密度及介电常数更加接近理想梯度变化、结构更加完整、介电性能更加优异的龙伯透镜天线，使龙伯透镜天线介电常数的变化更加贴近理想变化规律，进而提高龙伯透镜天线的工作性能。
Description
技术领域
本申请涉及一种龙伯透镜半球的制备方法及龙伯透镜天线，属于通信和材料领域。
背景技术
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，一般以球形或半球形为基本形状(也称龙伯球)，并且包括多个通信堆叠的具有不同介电常数层，介电常数理论上从2至1变化，并且最内中心层的介电常数约为2，最外层的介电常数约为1。理论上，龙伯球的介电常数εr根据方程εr＝2-(r/R)2从中心(r＝0)到表面(r＝R)发生连续变化。
龙伯透镜天线由于可以同时接受和探测多方向上的电磁波信号，因此在多卫星跟踪、宽带高数据率卫星通信、射电天文观测阵列、局部点对多点通信、雷达反射器、飞机起降雷达等军用和民用领域具有广阔的应用优势和前景。
为了使用信息大容量化即电磁波高频化，构成龙伯介电透镜的介质材料要求具备优异的介电性能(即可调且均匀的介电常数、极低介电损耗、低频率依赖性)。目前轻质可调且均匀的龙伯透镜制备工艺不成熟且现有可利用的低损耗高介电常数有机材料种类较少，很大程度上限制了龙伯球的发展。近年来工业界和科研机构对轻质可调介质材料制作技术进行了一系列的研究，具有代表性的方法主要有：基于塑料树脂材料的热发泡技术、基于开孔结构实现渐变可调介电常数技术、基于现有工业塑料材料技术以及光子带隙结构技术、增材制造技术等。这些方法一般都采用同心堆叠的方法，在制备过程中存在难以控制的缺陷，从而导致各透镜层的介电常数与设计值存在较大偏差，导致生产得到的龙伯球的介电常数变化偏离理想变化规律，最终致使有该龙伯球组装得到的透镜天线的工作性能受到影响。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种龙伯透镜天线的制备方法，目的在于使龙伯透镜天线密度及介电常数的变化更加贴近理想变化规律，进而提高龙伯透镜天线的工作性能。
根据本申请的第一方面，提供了一种龙伯透镜半球的制备方法。
一种龙伯透镜半球的制备方法，包括以下步骤：
(S1)获得发泡原料A0、A1、A2、……和An；
(S2)发泡原料A1在半球模具M1的内表面进行加热固化I，加热温度为T1，加热时间为t1，得到第二层；
(S3)将发泡原料A2、步骤(S2)得到的第二层依次放入半球模具M2内，在其内表面进行加热固化II，加热温度为T2，加热时间为t2，得到第三层；
(S4)重复步骤(S3)n-1次，其中发泡原料A3对应第四层，半球模具M3，加热温度为T3，加热时间为t3，……，发泡原料An对应第n+1层，半球模具Mn，加热温度为Tn，加热时间为tn；
(S5)将内芯加入发泡原料A0，加热固定，得到所述龙伯透镜半球；
其中，发泡原料A0、A1、A2、……和An的密度分别为ρ0，ρ1，ρ2，……，ρn，且，0.8g/cm3≥ρ0>ρ1>ρ2>……>ρn≥0.05g/cm3；
其中，80℃≤T1≤T2≤……≤Tn≤130℃；
其中，30min≤t1≤t2≤……≤tn≤150min。
可选地，n的取值为4-15。
可选地，n的取值为6-13。
n代表龙伯透镜的外层层数，如当n为4时，此时龙伯透镜的层数为5层。
可选地，n的取值选自4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15中的任意值。
可选地，0.75g/cm3≥ρ0>ρ1>ρ2>……>ρn≥0.06g/cm3。
可选地，0.7g/cm3≥ρ0>ρ1>ρ2>……>ρn≥0.1g/cm3。
由内到外，所选用的发泡原料的密度依次减小，相应的介电常数从芯层到最外层也依次减小，芯层的介电常数约为2，最外层的介电常数约为1。
本申请中，龙伯透镜的内芯为第一层，从内芯到外，依次为第二层、第三层，……，直到最外层。
可选地，90℃≤T1≤T2≤……≤Tn≤125℃。
可选地，90℃≤T1≤T2≤……≤Tn≤120℃。
可选地，90℃≤T1≤T2≤……≤Tn≤110℃。
可选地，40min≤t1≤t2≤……≤tn≤120min。可选地，50min≤t1≤t2≤……≤tn≤120min。
可选地，60min≤t1≤t2≤……≤tn≤100min。
从内层向外，加热时间与温度递增。
从内层第三层开始，已制备好的内层作为模具的一部分与外层原料一起加热固化，内层外表面进一步膨胀至与外层密度接近。可更好地获得致密性更高、密度及介电常数更加接近理想梯度变化、结构更加完整、介电性能更加优异的龙伯透镜天线，使龙伯透镜天线介电常数的变化更加贴近理想变化规律。
可选地，所述半球模具M1、半球模具M2、半球模具M3、……和半球模具Mn的直径分别为D1，D2，D3，……，Dn，且，40mm≤D1≤D2≤……≤Dn≤500mm。
可选地，100mm≤D1≤D2≤……≤Dn≤300mm。
可选地，半球模具的直径为40-500mm。
可选地，半球模具的直径为100-300mm。
本申请所用的半球模具可为现有技术中的模具，也可以为自主设计的模具，直径为40-500mm(和龙伯透镜天线的直径对应)，其层数为5-15层，介电常数从外到芯层为1-2，并呈线性递增。
可选地，所述发泡原料为可发性聚苯乙烯颗粒。
可选地，步骤(S1)中，可发性聚苯乙烯颗粒经预发泡后，筛分得到发泡原料A0、A1、A2、……和An；
所述预发泡温度为70-130℃。
可选地，步骤(S1)中，可发性聚苯乙烯颗粒，预发泡温度为70-130℃，经预发泡后材料密度为0.05-0.8g/cm3，并且从内到外密度呈线性减小趋势。
可选地，步骤(S5)中，加热固定的温度为100℃-130℃，加热固定的时间为60-100min。
作为一种优选的实施方式，所述龙伯透镜半球的制备方法，包括：
(1)对龙伯透镜天线的材料进行预发泡处理；
(2)利用半球模具，从里向外逐层进行加热发泡并自然冷却固化；内层作为模具一部分，与外层一同加热并进一步固化；
(3)内芯最后加热固定。
可选地，步骤(1)中所述的龙伯透镜天线所用材料为可发性聚苯乙烯颗粒，预发泡温度为70-130℃，经预发泡后材料密度为0.05-0.8g/cm3，并且从内到外密度呈线性减小趋势。
优选地，所述的发泡温度为80-120℃。
优选地，所述的材料密度为0.1-0.7g/cm3。
可选地，所述的材料应进行筛选，得到不同直径及不同密度的预发泡后的发泡原料。
可选地，步骤(2)中所述的模具可以为自主设计的半球模具，直径为40-500mm，其层数为5-15层，介电常数从外到芯层为1-2，并呈线性递增；
优选地，所述的模具层数为7-13层。
优选地，所述的龙伯球的直径为100-300mm。
可选地，步骤(2)中所述的加热的温度为80-120℃之间，保温时间为30-150min。
优选地，所述的加热温度为90-110℃，所述的加热时间为60-100min。
可选地，所述的将发泡原料放入模具中进行加热成型的步骤包括：
从内层第二层加入原料开始加热固化，内芯最后加热固定；
从内层第三层开始，已制备好的内层作为模具的一部分与外层原料一起加热固化，内层外表面进一步膨胀至与外层密度接近；
从内层向外，加热时间与温度递增。
可选地，步骤(3)所述的内芯加热时间为60-100min，内芯为一个均一性的整体。
重复步骤(1)-(3)，制备另一半半球，将两个半球拼接成一个完整的龙伯透镜天线。
根据本申请的第二方面，提供了一种龙伯透镜天线。
一种龙伯透镜天线，将两个龙伯透镜半球拼接得到；所述龙伯透镜半球选自上述所述的制备方法制备得到的龙伯透镜半球中的一种。
可选地，所述龙伯透镜天线的直径为40-500mm。
可选地，所述龙伯透镜天线的直径为80-500mm。
可选地，所述龙伯透镜天线的直径为100-500mm。
可选地，所述龙伯透镜天线的直径为100-300mm。
可选地，所述龙伯透镜天线在9.375GHz条件下，RSC值为0.8m2-200m2。
本申请中，“RSC”，是指雷达散射截面积。
本申请中，如无特别说明，所给出的数据范围选自范围中的任意值，且包含范围的端点值。
本申请能产生的有益效果包括：
本申请所提供的龙伯透镜半球的制备方法，通过将内层作为模具一部分与外一层继续加热膨胀，可更好地获得致密性更高、密度及介电常数更加接近理想梯度变化、结构更加完整、介电性能更加优异的龙伯透镜天线，使龙伯透镜天线介电常数的变化更加贴近理想变化规律，进而提高龙伯透镜天线的工作性能。
附图说明
图1为本发明龙伯透镜天线内部泡孔结构示意图。
图2为对比例1内部泡孔结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
如无特别说明，本申请的实施例中的原料均通过商业途径购买，如无特别说明，测试方法均采用常规方法，仪器设置均采用厂家推荐的设置。
其中，可发性聚苯乙烯购自于龙王牌可发性聚苯乙烯，牌号EPS-H-SB。
本申请的实施例中分析方法如下：
龙伯透镜天线的RCS(雷达散射截面积)测试方法为吸波暗室-步进频率RCS测试技术。
实施例1
步骤(1)：以可发性聚苯乙烯为原料，通过加热法制备不同密度的发泡珠粒，并通过振动筛筛分，获得密度分别为0.1g/cm3、0.23g/cm3、0.36g/cm3、0.45g/cm3，以备龙伯透镜天线外四层使用，各层密度参数如表2所示；
步骤(2)：从第二层开始加热固化，发泡珠粒、第二层依次放入半球模具的内表面进行加热固化，得到第三层；如此循环6次，其中模具最大直径为140mm，加热时间温度如表3所示，并将模具连同样品冷却至室温取出样品备用；
步骤(3)：内芯加入可发性聚苯乙烯，120℃加热60min，取出后自然冷却至室温，取出半球；
步骤(4)：按照步骤(1)-(3)制备另一半半球，并通过中间卡扣合成一个完整的龙伯透镜天线。
经测试，该龙伯透镜天线在9.375GHz条件下，RCS(雷达散射截面积)值为2.5m2，满足使用要求。
实施例2-6
按如表1所示的直径、层数、如表2的温度与时间制造龙伯透镜天线，除此之外，其余和实施例1同样，得到相应的龙伯透镜天线，测试结果如表1所示。
图1为本发明龙伯透镜天线内部泡孔结构示意图，图2为对比例1内部泡孔结构示意图。可以看出，本发明的龙伯透镜天线内部的粒子泡沫尺寸呈梯度式从内向外逐渐增大，变化均匀，即其致密性更高、结构更加完整，密度及介电常数更加接近理想梯度变化，进而提高龙伯透镜天线的工作性能。而对比例1中的泡孔每一层几乎一样，层与层交界处不存在过渡，介电常数变化偏离理想变化规律，龙伯透镜天线的工作性能受到影响。
对比例1
步骤(1)同实施例1，龙伯透镜天线各层密度及直径也同实施例1，区别在于：各层采用不同的模具分别进行加热，得到直径密度不同的单层，并最终组装得到一个完整的龙伯透镜天线。
经测试，该龙伯透镜天线在9.375GHz条件下，RSC值为1.8m2。
表1
| 实施例 | 直径 | 层数 | 总重量 | RCS值 |
| 实施例1 | 140mm | 7 | 400g | 2.5m<sup>2</sup> |
| 实施例2 | 100mm | 5 | 180g | 0.8m<sup>2</sup> |
| 实施例3 | 200mm | 10 | 1500g | 9.2m<sup>2</sup> |
| 实施例4 | 140mm | 5 | 400g | 2.3m<sup>2</sup> |
| 实施例5 | 300mm | 13 | 5100g | 41.5m<sup>2</sup> |
| 实施例6 | 500mm | 13 | 15500g | 200m<sup>2</sup> |
| 对比例1 | 140mm | 7 | 400g | 1.5m<sup>2</sup> |
表2龙伯透镜天线各层密度(单位g/cm3)
表3各层加热时间/温度(℃/min)
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。
Claims (10)
1.一种龙伯透镜半球的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(S1)获得发泡原料A0、A1、A2、……和An；
(S2)发泡原料A1在半球模具M1的内表面进行加热固化I，加热温度为T1，加热时间为t1，得到第二层；
(S3)将发泡原料A2、步骤(S2)得到的第二层依次放入半球模具M2内，在其内表面进行加热固化II，加热温度为T2，加热时间为t2，得到第三层；
(S4)重复步骤(S3)n-1次，其中发泡原料A3对应第四层，半球模具M3，加热温度为T3，加热时间为t3，……，发泡原料An对应第n+1层，半球模具Mn，加热温度为Tn，加热时间为tn；
(S5)将内芯加入发泡原料A0，加热固定，得到所述龙伯透镜半球；
其中，发泡原料A0、A1、A2、……和An的密度分别为ρ0，ρ1，ρ2，……，ρn，且，0.8g/cm3≥ρ0>ρ1>ρ2>……>ρn≥0.05g/cm3；
其中，80℃≤T1≤T2≤……≤Tn≤130℃；
其中，30min≤t1≤t2≤……≤tn≤150min。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，n的取值为4-15；优选地，n的取值为6-13。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，0.75g/cm3≥ρ0>ρ1>ρ2>……>ρn≥0.06g/cm3。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，90℃≤T1≤T2≤……≤Tn≤125℃；
40min≤t1≤t2≤……≤tn≤120min。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述半球模具M1、半球模具M2、半球模具M3、……和半球模具Mn的直径分别为D1，D2，D3，……，Dn，且，40mm≤D1≤D2≤……≤Dn≤500mm；
优选地，100mm≤D1≤D2≤……≤Dn≤300mm。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述发泡原料为可发性聚苯乙烯颗粒。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(S1)中，可发性聚苯乙烯颗粒经预发泡后，筛分得到发泡原料A0、A1、A2、……和An；
所述预发泡温度为70-130℃。
8.一种龙伯透镜天线，其特征在于，将两个龙伯透镜半球拼接得到；所述龙伯透镜半球选自权利要求1-7任一项所述的制备方法制备得到的龙伯透镜半球中的一种。
9.根据权利要求8所述的龙伯透镜天线，其特征在于，所述龙伯透镜天线的直径为40-500mm；优选地，所述龙伯透镜天线的直径为100-500mm。
10.根据权利要求8所述的龙伯透镜天线，其特征在于，所述龙伯透镜天线在9.375GHz条件下，RSC值为0.8m2-200m2。
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