[发明专利]适于3D打印的全介质多波束扫描龙勃透镜结构及打印方法

说明书

本发明公开的适于3D打印的全介质多波束扫描龙勃透镜结构，属于电磁超材料领域。本发明的适于3D打印的全介质多波束扫描龙勃透镜结构为球形，球形龙勃透镜由两个3D打印半球形透镜拼接而成；单个3D打印半球形龙勃透镜结构包括支撑层、满足龙勃透镜折射率分布多层梯度结构层及满足龙勃透镜折射率分布多层梯度结构层中间隙的填充材料。本发明还公开全介质多波束扫描龙勃透镜结构3D打印方法。本发明还公开全介质多波束扫描龙勃透镜天线，将3D打印印得到的球状全介质多波束扫描龙勃透镜加上馈源，形成龙勃透镜天线。本发明通过3D打印实现小尺度、多功能、超宽频、高定向性的龙勃透镜天线，具有能够实现工业应用、轻量化结构的优点。

技术领域

本发明专利涉及适于3D打印的全介质多波束扫描龙勃透镜结构及打印方法，属于电磁超材料领域。

背景技术

多波束天线在毫米波无线通讯系统中具有重要作用，在卫星通讯系统，毫米波无源成像系统及飞机指挥塔雷达等领域被广泛应用。这类应用场合对设计的多波束天线提出了严苛的技术要求，如：大角度范围内的定向波束扫描，无惯性快速扫描与跟踪，高增益与高口径效率，适用于多种极化模式的电磁波等。结构紧凑，宽频带大角度毫米波多波束天线已是各国毫米波技术研发的重要方向。

传统的多波束天线比较典型的有抛物面反射器，相控阵天线。抛物面天线波束覆盖范围小，波束差异性大，且在实现多目标追踪时需要使用多副天线，极大的占据了舰载的有限空间，并需要同时转动繁重的天线基座导致扫描速度较慢；相控阵天线能实现较快的扫描速度，但是其相移网络复杂，成本高昂，损耗大，极大的限制了它的应用范围。因此，研发小尺寸，低质量，小惯性，高增益，超宽频，大角度范围的多波束天线具有很重大的科研与工程意义

光学成像与聚焦领域的透镜可将发散的电磁能量转换为定向性波束，这为多波束天线的设计提供了全新的路径，透镜天线的宽频，大角度范围多波束扫描且馈电方式简单等特性使其在多波束天线的设计中具有独到的优势。透镜天线由低损耗介质材料加工完成，其雷达反射截面(RCS)小于同口径的传统天线。但是轻质均匀介质材料工艺上上的不成熟且可利用的高性能低损耗介质材料的种类极其有限，透镜天线的发展在很大程度上受到了限制。

发明内容

本发明公开的基于3D打印的全介质多波束扫描龙勃透镜要解决的技术问题是：提供一种适用于3D打印的全介质多波束扫描龙勃透镜结构，通过3D打印实现小尺度、多功能、超宽频、高定向性的龙勃透镜天线，具有能够实现工业应用、轻量化结构的优点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明公开的适于3D打印的全介质多波束扫描龙勃透镜结构，龙勃透镜为球形，所述球形龙勃透镜由两个3D打印半球形透镜拼接而成。单个3D打印半球形龙勃透镜结构包括支撑层、满足龙勃透镜折射率分布多层梯度结构层及满足龙勃透镜折射率分布多层梯度结构层中间隙的填充材料。支撑层位于水平大圆面上，垂直方向的大圆面剖面轮廓为二维半圆形，外形轮廓为二维半圆形的剖面结构由多层杆状结构周向阵列而成，在外形轮廓为二维半圆形的剖面上单个杆状结构的宽度沿径向呈由粗到细梯度变化。通过调节单个梯度杆状结构的空间填充率f，使多层杆状结构周向阵列的等效折射率n满足多层均匀离散的龙勃透镜折射率分布，其中龙勃透镜折射率分布为其中r为距透镜球心的距离，R为三维球形龙勃透镜的半径，n为折射率，ε_eff为等效介电常数，等效介电常数ε_eff＝ε_dielectric×f+ε_air×(1-f)，ε_dielectric为选用介质材料的介电常数，ε_air为空气的介电常数，f为梯度杆状结构的空间填充率。通过旋转多层杆状结构周向阵列得到由多个旋转锥体组合而成满足龙勃透镜折射率分布多层梯度结构层。在满足龙勃透镜折射率分布多层梯度结构层之间的空隙填充支撑材料，实现支撑层、满足龙勃透镜折射率分布多层梯度结构层及满足龙勃透镜折射率分布多层梯度结构层中间隙的填充材料组成的单个3D打印半球形透镜结构。