專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于混合液體介質(zhì)的梯度折射率微波器件的制備方法
一種基于混合液體介質(zhì)的梯度折射率微波器件的制備方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于梯度折射率材料領(lǐng)域，涉及一種基于混合液體的梯度折射率材料,尤其涉及一種基于混合液體的梯度折射率微波器件的制備方法。
背景技術(shù)：
梯度折射率介質(zhì)(GRIN)是一類(lèi)折射率在徑向、軸向或徑軸混合向按一定規(guī)律分布的材料。梯度折射率微波器件是指采用梯度折射率介質(zhì)制成的具有特殊傳輸特性的器件。 梯度折射率器件的使用，可以大大簡(jiǎn)化光學(xué)系統(tǒng)、消除相差、減輕重量，在完美光學(xué)成像、高增益衛(wèi)星通訊以及信息傳感方面擁有潛力巨大的應(yīng)用前景。從1854年Maxwell首先提出折射率相對(duì)一點(diǎn)呈球?qū)ΨQ(chēng)分布的Maxwell魚(yú)眼透鏡以來(lái)，這種具有重要意義的梯度折射率器件就引起了人們的廣泛關(guān)注。
梯度折射率理論的提出和完善，為微波光學(xué)器件的設(shè)計(jì)提供了一種新的思路和方法。加入梯度折射率材料，就相當(dāng)于在微波器件的設(shè)計(jì)中引入了一個(gè)可以調(diào)節(jié)的變量。1944 年，Luneburg在研究魚(yú)眼透鏡的基礎(chǔ)上,提出了 Luneburg透鏡的模型。此后，J. Sochacki 等人將Luneburg透鏡加以推廣,提出了改進(jìn)的Luneburg透鏡模型,該模型使得梯度折射率微波器件向?qū)嵱没较蜻~進(jìn)了一步。但是由于當(dāng)時(shí)確定光學(xué)元件內(nèi)部折射率的最優(yōu)分布的計(jì)算技術(shù)發(fā)展緩慢，直到1969年左右，日本板玻璃公司的北野等人才利用離子交換技術(shù)首次成功制備出梯度折射率玻璃材料，自此，這一技術(shù)才真正進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用研究。其中，利用無(wú)機(jī)材料制作梯度折射率材料的研究發(fā)展較快。采用的無(wú)機(jī)材料種類(lèi)也較多，主要有玻璃、 鍺砷、硫和硒的化合物，氯化鈉，氯化銀和氮化硅等。采用離子交換法制成的玻璃梯度折射率棒已經(jīng)達(dá)到實(shí)用化。玻璃梯度折射率材料的優(yōu)點(diǎn)是通透率高，折射率范圍大，色差相差小，分辨率較高。缺點(diǎn)是比重大，強(qiáng)度差，制作過(guò)程較復(fù)雜。
近年來(lái)，科學(xué)家在梯度折射率元件的制備工藝方面進(jìn)行了廣泛而深入的研究，為了獲得所需要性能的梯度折射率器件，研究人員曾對(duì)各種可能的制備工藝進(jìn)行了嘗試。其中研究最多的是離子交換法、溶膠凝膠法、化學(xué)氣相沉積法和有機(jī)物聚合工藝，除此之外， 還有離子填充法、晶體生長(zhǎng)法和中子輻照法等。其中，離子交換法是迄今研究者們研究最為深入的方法，也是最早獲得實(shí)際應(yīng)用的方法，它具有成本低，控制過(guò)程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，這種技術(shù)是在光通信材料、光纖制造和梯度折射率透鏡材料制造方面較為廣泛采用的，但不是所有的折射率分布都可以通過(guò)離子交換法實(shí)現(xiàn)，在制造幾何尺寸較大的徑向梯度折射率時(shí)仍然存在一些問(wèn)題，另外它的生產(chǎn)能耗大，折射率變化范圍小，因此其應(yīng)用僅限于微型光學(xué)系統(tǒng)。
溶膠凝膠法是1986年Yamne等人提出的，先把基質(zhì)玻璃和摻雜物質(zhì)溶解呈溶膠液體，做成棒狀，再溶出其中的摻雜物質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)梯度分布的折射率。它可以做大口徑梯度折射率的材料，但是生產(chǎn)時(shí)對(duì)折射率和尺寸的控制比較困難，工藝控制要求嚴(yán)格，且耗時(shí)長(zhǎng)。 離子填充法可以得到大尺寸的梯度折射率材料，但是制作過(guò)程復(fù)雜，不易實(shí)用化。
總結(jié)現(xiàn)有的制備工藝可以發(fā)現(xiàn)，梯度折射率微波器件的制備主要面臨三個(gè)困難一是過(guò)高的制作成本和復(fù)雜的制作工藝，二是有限的折射率變化范圍，三是所用介質(zhì)的電磁波損耗大。解決這三個(gè)問(wèn)題是梯度折射率微波器件實(shí)現(xiàn)真正意義上的工程應(yīng)用的關(guān)鍵步驟，因此，在考慮制作成本的同時(shí)，必須解決成型工藝、折射率可調(diào)范圍、能量損耗上的技術(shù)問(wèn)題。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種基于混合液體介質(zhì)的梯度折射率微波器件的制作工藝，通過(guò)改變液體的組分可實(shí)現(xiàn)微波器件電磁傳播性能的可調(diào)性，即實(shí)現(xiàn)微波在其中傳播時(shí)折射率在一定范圍內(nèi)可調(diào)均勻變化。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)
一種基于混合液體介質(zhì)的梯度折射率微波器件的制備方法，包括以下步驟
I)根據(jù)梯度折射率微波器件的電磁波工作頻段和輻射特性，確定其折射率的空間分布圖，并對(duì)所得的折射率空間分布圖按相應(yīng)的離散單元大小進(jìn)行離散處理，得到每個(gè)離散單元層的等效電磁波折射率 ；
2)根據(jù)離散處理結(jié)果，利用光固化快速成形技術(shù)，以液體光固化樹(shù)脂為原料，采用分層光固化的方法制備梯度折射率微波器件的樹(shù)脂框架結(jié)構(gòu)；
3)將具有不同電磁波折射率的非磁性液體的混合，通過(guò)非磁性液體的混合比例得到具有不同電磁波折射率的混合液體；
4)按照樹(shù)脂框架結(jié)構(gòu)中各離散單元對(duì)等效電磁波折射率的要求，分別注入具有對(duì)應(yīng)電磁波折射率的混合液體；然后在樹(shù)脂框架結(jié)構(gòu)的輪廓外加裝金屬反射板，得到梯度折射率微波器件。
所述混合液體的電磁波折射率η由如下公式計(jì)算Il= ▲，其中ε為混合液體的介電常數(shù)，介電常數(shù)由介電常數(shù)檢測(cè)裝置對(duì)混合液體進(jìn)行檢測(cè)而獲得。
進(jìn)一步的，建立混合液體的混合比例與介電常數(shù)相對(duì)應(yīng)的曲線，由樹(shù)脂框架結(jié)構(gòu)中各離散單元對(duì)等效電磁波折射率的要求而獲得對(duì)介電常數(shù)的要求，然后根據(jù)得到的曲線找出混合液體的混合比例，按照要求進(jìn)行配比后進(jìn)行注入。
所述的注入是將具有對(duì)應(yīng)電磁波折射率的混合液體注滿(mǎn)所對(duì)應(yīng)的樹(shù)脂框架層中， 然后將開(kāi)口處用樹(shù)脂薄膜蓋密封，以免混合液體泄露。
所述在灌裝制作好的透鏡外部緊貼樹(shù)脂框架層加上與樹(shù)脂框架輪廓相一致的金屬反射板，以減少后向輻射和邊緣散射。
一種基于苯和乙腈混合液體介質(zhì)的梯度折射率平面透鏡的制備方法，包括以下步驟
I)根據(jù)梯度折射率平面透鏡的電磁波工作頻段和輻射特性，得到梯度折射率平面透鏡的折射率分布方程為
權(quán)利要求
1.一種基于混合液體介質(zhì)的梯度折射率微波器件的制備方法，其特征在于，包括以下步驟 1)根據(jù)梯度折射率微波器件的電磁波工作頻段和輻射特性，確定其折射率的空間分布圖，并對(duì)所得的折射率空間分布圖按相應(yīng)的離散単元大小進(jìn)行離散處理，得到每個(gè)離散單元層的等效電磁波折射率； 2)根據(jù)離散處理結(jié)果，利用光固化快速成形技木，以液體光固化樹(shù)脂為原料，采用分層光固化的方法制備梯度折射率微波器件的樹(shù)脂框架結(jié)構(gòu)； 3)將具有不同電磁波折射率的非磁性液體的混合，通過(guò)非磁性液體的混合比例得到具有不同電磁波折射率的混合液體； 4)按照樹(shù)脂框架結(jié)構(gòu)中各離散單元對(duì)等效電磁波折射率的要求，分別注入具有對(duì)應(yīng)電磁波折射率的混合液體；然后在樹(shù)脂框架結(jié)構(gòu)的輪廓外加裝金屬反射板，得到梯度折射率微波器件。
2.如權(quán)利要求1所述的基于混合液體介質(zhì)的梯度折射率微波器件的制備方法，其特征在于，所述混合液體的電磁波折射率η由如下公式計(jì)算η = ▲，其中ε為混合液體的介電常數(shù)，介電常數(shù)由介電常數(shù)檢測(cè)裝置對(duì)混合液體進(jìn)行檢測(cè)而獲得。
3.如權(quán)利要求2所述的基于混合液體介質(zhì)的梯度折射率微波器件的制備方法，其特征在于，建立混合液體的混合比例與介電常數(shù)相對(duì)應(yīng)的曲線，由樹(shù)脂框架結(jié)構(gòu)中各離散單元對(duì)等效電磁波折射率的要求而獲得對(duì)介電常數(shù)的要求，然后根據(jù)得到的曲線找出混合液體的混合比例，按照要求進(jìn)行配比后進(jìn)行注入。
4.如權(quán)利要求1所述的基于混合液體介質(zhì)的梯度折射率微波器件的制備方法，其特征在于，所述的注入是將具有對(duì)應(yīng)電磁波折射率的混合液體注滿(mǎn)所對(duì)應(yīng)的樹(shù)脂框架層中，然后將開(kāi)ロ處用樹(shù)脂薄膜蓋密封，以免混合液體泄露。
5.如權(quán)利要求1所述的基于混合液體介質(zhì)的梯度折射率微波器件的制備方法，其特征在于，在灌裝制作好的透鏡外部緊貼樹(shù)脂框架層加上與樹(shù)脂框架輪廓相一致的金屬反射板，以減少后向輻射和邊緣散射。
6.ー種基于苯和こ腈混合液體介質(zhì)的梯度折射率平面透鏡的制備方法，其特征在干，包括以下步驟 1)根據(jù)梯度折射率平面透鏡的電磁波工作頻段和輻射特性，得到梯度折射率平面透鏡的折射率分布方程為
7.如權(quán)利要求6所述的基于苯和こ腈混合液體介質(zhì)的寬頻梯度折射率平面透鏡的制備方法，其特征在干，所述的寬頻梯度折射率平面透鏡關(guān)于X軸對(duì)稱(chēng)，長(zhǎng)度為250. 8mm,寬度為60. 8_，信號(hào)發(fā)生源放置于距離透鏡125. 4_處，樹(shù)脂框架厚度為O. 3_，工作頻段為12 18GHz。
8.ー種基于苯和こ腈混合液體介質(zhì)的平面龍伯透鏡的制備方法，其特征在于，包括以下步驟 1)平面龍伯透鏡包括底部和離散單元，底部為一平板，離散單元的介質(zhì)的介電常數(shù)由內(nèi)到外連續(xù)變化且在透鏡邊緣處阻抗匹配； 2)根據(jù)離散處理結(jié)果，利用光固化快速成形技木，以液體光固化樹(shù)脂為原料，采用分層光固化的方法制備平面龍伯透鏡的樹(shù)脂框架結(jié)構(gòu)； 3)將苯和こ腈按照一定比例充分混合均勻，由介電常數(shù)檢測(cè)裝置得到混合液體的介電常數(shù)和介電損耗隨液體組成成分比例變化的曲線； 4)按照樹(shù)脂框架結(jié)構(gòu)中各離散單元對(duì)等效電磁波折射率的要求，介電常數(shù)由內(nèi)到外從17.5到2. 5以I為步長(zhǎng)均勻遞減，最外層為空氣層； 然后根據(jù)步驟3)所得曲線找出各介電常數(shù)值所對(duì)應(yīng)的苯和こ腈的配比參數(shù)； 5)按照步驟4)的配比參數(shù)配制出具有不同介電常數(shù)的苯和こ腈的混合液體，注入相應(yīng)的樹(shù)脂框架單元中； 6)再將樹(shù)脂框架放入和平面龍伯透鏡大小相等的鋁制電磁波反射殼中，得到平板龍伯透鏡。
9.如權(quán)利要求8所述的基于苯和こ腈混合液體介質(zhì)的平面龍伯透鏡的制備方法，其特征在于，所述平面龍伯透鏡的透鏡底平板長(zhǎng)107. 2mm，透鏡沿y方向最大尺寸為107mm，沿x方向最大尺寸為140mm ； 平面龍伯透鏡離散為17層，介電常數(shù)由內(nèi)到外從17. 5到2. 5以I為步長(zhǎng)均勻遞減，最外層為空氣層。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于混合液體介質(zhì)的梯度折射率微波器件的制備方法，其所用的液體介質(zhì)由介電常數(shù)不同的液體混合形成，通過(guò)調(diào)節(jié)不同液體的混合比例從而實(shí)現(xiàn)混合液體介質(zhì)電磁波折射率的可控。根據(jù)需求對(duì)微波器件框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并采用快速成形技術(shù)實(shí)現(xiàn)微波器件框架結(jié)構(gòu)的快速制造，將具有不同折射率的混合液體介質(zhì)灌入到設(shè)計(jì)好的框架結(jié)構(gòu)中即可得到所需的微波器件，通過(guò)液體介質(zhì)的快速更換，獲得性能可調(diào)的微波器件。本發(fā)明所提出的微波器件具有超寬頻、低損耗、性能可調(diào)、易于制備和造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)B29D11/00GK102975383SQ20121039860
公開(kāi)日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2012年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月18日
發(fā)明者田小永, 李滌塵, 吳玲玲, 韓昊雪 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)