基于3d打印的kuka频段双波束天线设计-李勇.pdf

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1、第3j卷第2期 电 波 科 学 学 报 v0131，No22016年4月 CHINESE JOURNAL OF RADIO SCIENCE April2016李勇，张文静，董长胜，等基于3D打印的KuKa频段双波束天线设计J电渡科学学报，2016，31(2)：353357DOI：1013443jciors2015052801LI Y，ZHANG W J，DONG C S，et a1Design of antenna with KuKaband and dualbeam based on 3D printingJChinese journal of radioscience，2016，31(2)

2、：353357(in Chinese)DOI：1013443jcjors2015052801基于3D打印的KuKa频段双波束天线设计李勇1 张文静1 董长胜1(1中国电子科技集团公司第五十四研究所2电子科技大学电子工程学院微波工程系杨仕文2，石家庄050081；，成都611731)摘 要 提出一种采用3D打印技术设计制造的径向开孔分层龙伯透镜天线，该天线以低损耗的石蜡强化聚苯乙烯为基材，透镜直径为700 mm，结构形式为7层半球龙伯透镜天线工作在KuKa频段，可同时对准两个目标研究表明：采用3D打印技术制造的低损耗介质径向开孔分层龙伯透镜天线实现了较高性能，有效解决了传统加工方式加工困难、一致

3、性差的问题，可以容易地通过采用更小介电损耗的材料实现更优良的天线性能关键词 3D打印；低损耗介质；分层龙伯透镜；径向打孔结构；KuKa双频段；多波束中图分类号TN82 文献标志码 A 文章编号 10050388(2016)02035305DOI 1013443icjors2015052801Design of antenna with KuKa-band and dual-beam based on 3D printingLI Yon91 ZHANG Wenj in91(1ne 54th Research Institute2School of Electronic Engineering，U

4、niversity ofDONG Changshen91 YANG Shiwen2of CETC，Shijiazhuang 050081，China；Electronic Science and Technology，Chengdu 611731，China)Abstract A 700mm diameter 7-layered hemisphere Luneburg lens antenna with radically drilled holesstructure using paraffin reinforced polystyrene based on 3D printing is p

5、roposedOperating at KuKaband，the antenna can simultaneously aim at two targetsWith high performance，the lens antenna effectively solves the processing difficulty and anisotropy of traditional processing method，and easily realizessuperior performance through using lower dielectric loss materialsKeywo

6、rds 3D printing；low loss material；layered Luneberg lens；radially drilled holes structure；KUKa band；multibeamI=I随着移动卫星通信技术的发展，多点通信成为发展的一个方向，多波束天线是实现这一应用的最佳选择反射面多波束天线、相控阵多波束天线等常规多波束天线由于自身特性或成本原因，使其难以应用到移动卫星通信领域卜4I龙伯透镜也是一种常收稿日期：20150528资助项目：总装“十二五”预研项目(1141411003030202)联系人：李勇E-mail：ctilyr163corn见的多波束天线

7、形式，由于其特有的球对称特性，可以方便地通过布置多个馈源实现多频段多波束应用；另外，采用半球龙伯透镜加反射板的形式可以实现相当于整个透镜的性能口，有效地降低天线剖面高度，对于移动卫星通信非常有吸引力因而研制透镜多波束天线，具有重要的现实意义龙伯透镜天线的介电常数沿透镜径向分布可表万方数据354 电 波科 学 学报 第31卷示为o，一2一r2 (1)式中，r为归一化半径实际应用中常用多层同心球壳来实现介电常数的渐变传统上，介质球层采用发泡的介质材料制作口8，工艺复杂，介质损耗大，不易满足高频段的应用文献9提出了采用低损耗介质制造龙伯透镜实现2030 GHz应用；文献Es设计了一个由聚乙烯和聚苯乙

8、烯制作的工作在28 GHz的双层透镜，由于两种材料的介电常数均大于2，性能不佳文献ElO提出了一种在低损耗介质上打垂直孔的透镜，虽然性能有所提升，但俯仰各向异性大文献11理论上设计了一种在聚四氟乙烯上打径向孔的300 mm的两层透镜，仿真结果表明天线可工作在KuKa频段，效率较高，各向一致性好，但其结构复杂，传统加工方式制造难度太大，无法批量生产研究新的设计制造方法成为龙伯透镜实现在高频段应用的关键3D打印是以数字模型文件为基础，运用粉末材料通过逐层打印的方式来构造物体的技术此技术近年来获得了快速的发展n2。1 3|，在复杂结构天线的加工上也获得了应用1 4。153D打印可以直接从计算机图形数

9、据中生成任何形状的零件，因此透镜介质球层加工时孔位、球心位置的定位等问题都可以通过计算机精确控制得以有效解决本文针对现有龙伯透镜天线设计制造的问题，提出了一种基于3D打印技术的双波束双频段龙伯透镜天线的设计制造方法，并据此设计制造了一套以石蜡强化聚苯乙烯为材料、径向开孔结构的KuKa双频段、双波束半球透镜天线样机1 分层开孔龙伯透镜设计原理11透镜基本参数设计同心分层透镜的每一层球壳的场可以描述为人射的内向驻波和外向行波的叠加1 6。：E=：n：n蛾+b：m(of：+f：n：鬣+d：m出”一l(2)式中：n，m是矢量波函数；上标3代表内向驻波；1代表外向行波在每一层球壳上利用电场和磁场边界条件

10、，得到入射波和外向波的一个传递矩阵，进而求得散射场，整个球体的辐射总场为散射场和入射场的叠加采用矢量球面波函数展开法结合差分进化算法对透镜增益进行优化1“，将实际馈源模型的口径面近场、介质透镜的参数(每层介电常数，介质损耗，层厚度及馈源焦距)作为优化变量进行一体化优化设计优化设计了1个直径700 mm的7层龙伯透镜，表1是透镜的主要参数表1 透镜各层参数层数 介电常数 层厚mm19221880181717431671159715277949489440773696325328Ol833012 开孔设计利用等效媒质理论的ABG法则设计各层的开孔参数实现预期的介电常数1 8|：_L塑一(1户)(塑

11、)3(3)Ei一h 、E h，式中：i是介入媒质的介电常数；“是选取材料的介电常数；P是体积比因子；e州是等效目标介电常数开孔的尺寸大小要小于110工作波长，孔分布均匀，以保证等效媒质理论的有效性开孔形式采用径向开孔，其分布规律是将孔均匀分为多环，在每环上按要求均匀分布多个孔各参数采用式(4)(7)计算，式中r。为孔径，N为环数，行(i)为第i环上孔的个数，S为孔的总数量，V。是单个孔的体积，r，是球壳内层的半径，r：是球壳外层的半径”(i)一round(4Nsin(rri2N)，i一1，2，N (4)S一1+升(i)； (5)V。=，c，j，一z(，。；)r； c6，po坠(7)-Tr(r；

12、一r2 3D打印的相关设计21材质的选择研究采用的3D快速成形技术为预置粉末激光烧结技术由于烧结过程受激光能量、粉末热量传递等因素影响，导致成品密度较低，其介电参数与介质材料典型值差异较大所以，需要准确地测定采用3D快速成形技术加工的介质材料的介电参数，寻找到符合要求的材质使用3D快速成形技术加工了万方数据第2期 李勇等：基于3D打印的KuKa频段双波束天线设计 355尼龙、ABS、聚苯乙烯材质的测试样片，采用谐振腔法测定了样片的介电参数从测试结果看聚苯乙烯的介电性能最优异，但聚苯乙烯抗冲击强度很小，易出现应力开裂，常采用灌浸石蜡和树脂进行强化比较两种强化后材料的介电性能，确定采用聚苯乙烯浸入

13、石蜡的材质制备龙伯透镜表2不同材质的介电性能尼龙PAl2ABS聚苯乙烯聚苯乙烯+石蜡聚苯乙烯+树脂O02o0090OOl22开孔形状研究由于3D打印只具备直线和圆弧插补功能，无法直接加工出特定曲线，只能在满足允许编程误差的条件下用若干直线段或圆弧段去逼近，因此不同的开孔形状的加工模型数据量差别较大限于加工设备本身的数据处理能力。不恰当的开孔形状可能会导致数据模型向加工模型转化失败，无法加工为了研究不同形状的孑Lxff介电常数和损耗角正切的影响，选择圆形、三角形、正方形和六边形孔作为研究对象，单个孔的开孔面积相同，整个测试试样的开孔体积相同表3反映了不同形状孔对介电性能的影响，从测试结果来看，不

14、同的孔形状对介电性能的影响差异不是太大，可以在设计时结合加工设备的实际情况灵活地选择孔的形状，文中设计的天线采用了六边形孔表3不同形状孔的介电性能(尼龙)3结果与分析制作了1套龙伯透镜天线，介质球层分为7层，第一层采用垂直柱孑L。第2到7层采用径向锥孑L，各层打孔参数见表4表4每层孔参数汇总层数 钻孔圈数 孔总数 体积比因子2841 6573 2085 5078 1311l 60618 1860282 6o310 40352o402 7O452 6O505 9O557 4为了减小球层间空气层引起的性能恶化，相邻两层合并加工，第7层单独加工，并在装配时通过精心研磨减小球层间的空气层馈源采用KuK

15、a双频同轴馈源。馈源由内层的介质加载圆极化Ka频段喇叭和外层的带纵向波纹槽的同轴波导Ku频段喇叭组成，可以实现KuKa双频信号同时收发天线配置两套相同的馈源，可以同时对两个目标通信方位可以实现360。旋转，俯仰可以实现0180。旋转，图l为设计的龙伯透镜半球天线(t)、t-球龙们透镜人线样fJ【图I 双波束、双频半球龙伯透镜天线OOOO0；l1O564895l12万方数据356 电 波科 学 学报 第31卷图2给出了透镜天线的仿真和测试结果测试结果与仿真结果基本吻合，但第一旁瓣差别较大测试第一旁瓣最高为一15 dB，仿真结果为一219 dB，恶化约7 dB其主要原因可能有两个方面：一是所设计半

16、球龙伯透镜天线电气结构过于复杂，受限于计算资源无法采用商用的全波仿真软件获得辐射方向图，理论仿真结果是由前文提到的矢量球面波函数展开法计算的整球透镜天线的辐射方向图，仿真结果未考虑反射底板的影响二是介质球层采用聚苯乙烯加工成型后表面灌浸石蜡进行强化，由于球层较厚，聚苯乙烯和石蜡的组合情况与测试样片有一定差异，造成理论设计采用的介电常数和实际样机不完全相同，透镜天线辐射特性恶化(b)206 GHz图2天线归一化辐射方向图采用比较法测试了透镜天线增益，在1275GHz为3675 dB，在206 GHz为4045 dB，按照07 m等效辐射口径核算，效率分别达到了542和4864，与传统反射面天线相

17、当，验证了3D打印技术制造低损耗龙伯透镜天线的可行性需要指出的是样机设计时为了结构紧凑，选取的反射底板尺寸较小，在馈源入射角大于一定角度后不足以形成良好的镜像，导致天线的有效口径减小、增益降低表5给出了天线在206 GHz时不同馈源入射角时天线增益表5不同馈源入射角天线增益入射角(。) 增益dB 入射角(。) 增益dB15 4045 45 391425 4065 55 386535 4023 65 3655从结果可以看出天线增益在人射角大于45。后出现了明显下降所以在工程应用时，应根据天线的工作仰角，采用合适尺寸的反射底板，以保证增益在工作角度内不出现显著的降低4结 论提出了一种采用3D打印技

18、术设计制造的700mm口径的7层半球龙伯透镜天线透镜采用石蜡强化的聚苯乙烯制造，工作在KuKa双频段，可以同时对准两个目标测试表明，透镜天线具有较高的效率，验证了3D打印技术制造低损耗龙伯透镜天线的可行性采用3D打印技术制作介质球层的方法，解决了传统加工方式加工困难、一致性差的问题，而且此种方法可以容易地通过采用更小介电损耗的材料实现更优良的天线辐射性能，具有良好的应用前景参考文献1 向博，孟洪福，窦文斌，等8毫米波均匀介质球透镜多波束天线的研究J电波科学学报，2012，27(2)：315-320XIANG B，MENG H F，DOU W B，et a18mmmultibeam antenn

19、a based on homogeneous sphericallensJChinese journal of radio science，2012，27(2)：31 5-320(in Chinese)23 梁广，龚文斌，刘会杰，等可重构星载多波束相控阵天线设计与实现J电波科学学报，2010，25(1)：184一189LIANG G，G()NG W B，I，IU H J，et a1Design ofreconfigurable multibeam phased array antenna onsatelliteJChinese journal of radio seience。2010，25(

20、1)：184189(in Chinese)3 刘璨，杨仕文，钟鸣海，等Ku、Ka频段龙伯透镜馈源阵列技术研究J电波科学学报，2010，25(2)：363-367I。IU J，YANG S W，ZH()NG M H，et a1Ku bandand Ka band feed array technique in Luneberg lens antennaJChinese journal of radio science，201025(2)：363367(in(、hinese)万方数据第2期 李勇等：基于3D打印的KuKa频段双波束天线设计 357I-4 侯建强，李鹏杰，牛中奇，等介质平板透镜提高天

21、5E67892101112131415线增益的原理研究J电波科学学报，2013，28(4)：662668HOU J Q，I。I P J，NIU Z Q，et a1Principles of antenna gain enhancement via dielectric plate lensJChinese iournal of radio science，2013，8(4)：662668(in Chinese)THORNTON J Widescanning multilayer hemisDhere lens antenna for Ka bandJIEE proceedingsmicrowa

22、ves，antennas and propagation，2006，153(6)：573576LUNEBERG R KThe mathematical theory of opticsMLos Angeles：Brown University Press，1944田江晓，郭杰，莫崇江，等龙伯透镜制造工艺研究现状及发展趋势分析fJ飞航导弹，2013(5)：8486TIAN J X，GUO J，MO C J，et a1Analysis on recent study progresses and trends of the Luneberg lensmanufacture processJAero

23、dynamic missile journal，2013(5)：8486(in Chinese)T()K()R()HSASAKI KSHIN()HARA M，et a1Luneberg dielectiic lens and method of producing：US，20040029985P2007IN(jERSON P GThe feasibility of Luneberg lens for20一30 GHz applicationsCIEEE Antennas andPropagation Society International SymposiumLosAngeles19981：

24、I卜14GE()RGlOS Z，DJURADJ BEffective dielectricconstant and design of sliced Luneberg lensJMicrowave and optical technology letters200749：23322337HE X FYANG S WYUAN I。，et a1The designof layered Iuneberg lens with radially drilled holestructurecCross Strait QuadRegional Radio Science and Wireless Techn

25、ology ConferenceChengdu，July 2013：226229BERMAN B3-D printing：the new industrial revolutionJBusiness horizons201 2，55：155 1 62李小丽，马剑雄，李萍等3D打印技术及应用趋势J自动化仪表，201435(1)：1_511 X I。MA J X，L1 P，and its application trendstrumentation，2014，35a13D Printing technologyProcess automarion in一)：1-5(in Chinese)AHMAD

26、KO()M，MOUSAVI PA novel integrateddielectric and conductive ink 3D printing technique forfabrication of microwave devices(IEEE MTTSInternational Microwave Symposium SeattleJ une 2-72013：13AIDA G I。ERNEST()E I。R()HIT C。el a1Opti一161718mization and fabrication by 3D printing of a volcanosmoke antenna f

27、or UWB applicationsC7th European Conference on Antennas and PropagationGothenburg，April，2013：14711473SANFORD I RScattering by spherically stratifiedmicrowave lens antennasJIEEE transactions onantennas and propagation，1994，42(5)：690695ZHONG M H，YANG S W，NIE Z POIptimizationof a Luneburg lens antenna

28、using the differential evolution algorithmCIEEE Antennas and Propagation Society International Radio Science MeetingSanDiego，July，2008：l 4MERRII。I，W M，DIAZ R E，I，()RE M MEffectivemedium theories for artificial material composed ofmultiple sizes of spherical inclusions in a host continuumJIEEE transactions on antennas and propagation，1994，47(1)：142148作者简介李勇 (1978一)，男，河北人，高级工程师，主要研究方向为微波技术、卫星通信天线及馈源系统研究张文静 (1962一)，男，山东人，研究员级高工，主要研究方向为微波技术、卫星通信天线及馈源系统研究董长胜 (1984一)，男，河北人，博士主要研究方向为天线结构工艺研究杨仕文 (1967一)，男，四川人，教授、博士生导师、IEEE高级会员主要研究方向为天线理论与技术，移动通信天线新技术，计算电磁学等万方数据