【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种3d打印透镜，尤其涉及一种用于下一代通信系统的3d打印龙勃透镜及其设计方法，该透镜折射率从中心到边缘平滑地径向过渡，特别适用于光学和微波工程领域。
技术介绍
1、下一代无线通信系统要求天线具有紧凑型、高度指向性以及简易的馈电网络，以实现高速数据传输、超快速度和低延迟。虽然天线阵列提供了波束转向能力，但它们会遭受扫描损耗并伴有复杂的馈电系统，导致成本增加。类似地，反射器天线虽然具有优异的指向性，但体积庞大且机械结构复杂，限制了在空间受限应用中的使用。
2、龙勃透镜天线，由于其固有的对称性，能够产生几乎相同的波束，成为了这类应用中有前景的候选者。此外，它们易于制造并能与简单的馈电结构兼容。龙勃透镜天线的功能在于通过径向变化的介电常数分布(由成熟的方程定义)将球面波前转换为平面波前。
3、传统圆柱形龙勃透镜采用有限数量、不同介电常数的圆柱体拼接，即设计多个圆筒形区域，中心区域填充高介电常数材料而边缘填充低介电常数，实现透镜内部介电常数或折射率的离散变化，如图2所示。此外，传统的球形龙勃透镜受到尺寸限制的影响较大。
4、三维打印，又称增材制造，是一种快速发展的技术，能够根据数字模型创建三维物体。三维打印技术在快速原型制作、创造复杂精细的几何形状、个性化定制结构等方面具有很大优势。鉴于其能精确控制任意形状的材料沉积，使得复杂设计易于制造，三维打印为透镜制造提供了一个有前景的解决方案。
技术实现思路
1、为了解决现有技术存在的上述问题，本专
2、本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
3、作为本专利技术的第一方面，提供一种用于下一代通信系统的3d打印龙勃透镜，其特征在于，其为3d打印一体式结构，由中心圆柱体以及布置在中心圆柱体外周的齿状结构组成，齿状结构与中心圆柱体高度相同；所述齿状结构由多个沿中心圆柱体外周均布设置的结构相同的单齿组成；
4、所述单齿的截面轮廓为镜像对称的两段曲线，单侧轮廓曲线符合以下曲线方程：
5、
6、式中，ym为单齿的齿根宽度，r为龙勃透镜的总半径，x为从龙勃透镜中心至单齿末端上的任意一点。
7、进一步地，所述中心圆柱体的高度为波长λ，以优化透镜整个表面的相位变化。
8、进一步地，所述龙勃透镜侧面开设一个矩形波导口。
9、进一步地，所述龙勃透镜通过带有空隙或气隙的单元胞降低材料介电常数。
10、进一步地，所述龙勃透镜采用pla作为3d打印材料。
11、作为本专利技术的第二方面，提供一种用于下一代通信系统的3d打印龙勃透镜的设计方法，包括以下步骤：
12、步骤一、引入介电常数平滑过渡曲线方程，所述曲线方程为：
13、
14、步骤二、设计中心圆柱体结构；
15、步骤三、设计单齿的截面轮廓：
16、利用步骤一引入的介电常数平滑过渡曲线方程绘制两条曲线，一条斜率递减曲线，另一条斜率递增曲线，且斜率递增曲线是斜率递减曲线的镜像曲线；将所述两条曲线合并，获得单齿的截面轮廓；
17、步骤四、复制并旋转单齿结构，在中心圆柱体外周形成完整齿状结构。
18、进一步地，所述步骤四中，将单齿沿中心圆柱体高度方向拉伸至与中心圆柱体相同高度；将拉伸后的单齿结构复制若干次，并以一定的角度围绕中心圆柱体旋转，形成环形排列，在中心圆柱体外周形成完整齿状结构。
19、进一步地，还包括步骤五、设计波导口：
20、在步骤四获得的龙勃透镜侧面开设一个矩形波导口，使其充当馈电端口。
21、进一步地，还包括步骤六、设计透镜单元胞空隙或气隙结构，进一步降低透镜材料的介电常数，从以下方案中任选一个：
22、方案一、创建单元胞，在单元胞中央设置一个立方体空腔，使单元胞其余部分的介电常数为预设值；在制作好单元晶格后，复制该单元晶格，并将其遍布整个透镜，使其呈现出周期性的结构；
23、方案二、创建单元胞，在单元胞内设置圆柱形气隙，以将介电常数降至预设值；沿着x轴和y轴平移单元晶格，并将其遍布整个透镜，使其呈现出周期性的结构。
24、进一步地，所述设计方法通过电磁仿真软件cst实现。
25、本专利技术具有以下有益效果：
26、本专利技术提供一种用于下一代通信系统的3d打印龙勃透镜，不同于传统方法将有限数量、不同介电常数的圆柱体拼接，本专利技术在单一圆柱体结构外周延伸齿状结构，通过齿状结构的平滑过渡，在透镜中心向边缘移动时实现了介电常数的平滑递减，模型制造简单、成本效益高且非常实用。
27、本专利技术通过精心设计透镜内部的空隙，在保持透镜结构完整性的条件下，将pla材料的相对介电常数从约2.7降至2。
28、当波束只需在单一平面上扫描时，并不需要球形的龙勃透镜，本专利技术提供的龙勃透镜就能满足需求。即便在使用如pla这样的损耗性材料后，仍能保持相同的增益，并且相比现有的二维龙勃透镜，在相同工作频段下，本专利技术能提供更广阔的覆盖区域，并具有广泛的应用价值。
29、通过提出与低成本pla材料兼容的3d打印设计方案，解决了制造透镜的材料需求问题。
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1.一种用于下一代通信系统的3D打印龙勃透镜，其特征在于，其为3D打印一体式结构，由中心圆柱体以及布置在中心圆柱体外周的齿状结构组成，齿状结构与中心圆柱体高度相同；所述齿状结构由多个沿中心圆柱体外周均布设置的结构相同的单齿组成；
2.如权利要求1所述的一种用于下一代通信系统的3D打印龙勃透镜，其特征在于，所述中心圆柱体的高度为波长λ，以优化透镜整个表面的相位变化。
3.如权利要求1所述的一种用于下一代通信系统的3D打印龙勃透镜，其特征在于，所述龙勃透镜侧面开设一个矩形波导口。
4.如权利要求1所述的一种用于下一代通信系统的3D打印龙勃透镜，其特征在于，所述龙勃透镜通过带有空隙或气隙的单元胞降低材料介电常数。
5.如权利要求1所述的一种用于下一代通信系统的3D打印龙勃透镜，其特征在于，所述龙勃透镜采用PLA作为3D打印材料。
6.如权利要求1至5中任意一项所述的一种用于下一代通信系统的3D打印龙勃透镜的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
7.如权利要求6所述的一种用于下一代通信系统的3D打印龙勃透镜的设计方法
8.如权利要求6所述的一种用于下一代通信系统的3D打印龙勃透镜的设计方法，其特征在于，还包括步骤五、设计波导口：
9.如权利要求6所述的一种用于下一代通信系统的3D打印龙勃透镜的设计方法，其特征在于，还包括步骤六、设计透镜单元胞空隙或气隙结构，进一步降低透镜材料的介电常数，从以下方案中任选一个：
10.如权利要求6所述的一种用于下一代通信系统的3D打印龙勃透镜的设计方法，其特征在于，所述设计方法通过电磁仿真软件CST实现。
...【技术特征摘要】
1.一种用于下一代通信系统的3d打印龙勃透镜，其特征在于，其为3d打印一体式结构，由中心圆柱体以及布置在中心圆柱体外周的齿状结构组成，齿状结构与中心圆柱体高度相同；所述齿状结构由多个沿中心圆柱体外周均布设置的结构相同的单齿组成；
2.如权利要求1所述的一种用于下一代通信系统的3d打印龙勃透镜，其特征在于，所述中心圆柱体的高度为波长λ，以优化透镜整个表面的相位变化。
3.如权利要求1所述的一种用于下一代通信系统的3d打印龙勃透镜，其特征在于，所述龙勃透镜侧面开设一个矩形波导口。
4.如权利要求1所述的一种用于下一代通信系统的3d打印龙勃透镜，其特征在于，所述龙勃透镜通过带有空隙或气隙的单元胞降低材料介电常数。
5.如权利要求1所述的一种用于下一代通信系统的3d打印龙勃透镜，其特征在于，所述龙勃透镜采用pla作为3d打印材料。
6.如权利要求1至5中任意一项所...
【专利技术属性】
技术研发人员：拉维·库马尔·阿利亚，麦克森·奥克拉姆扎，王作斌，范一达，东君伟，孔诗媛，李丽娟，
申请(专利权)人：长春理工大学中山研究院，
类型：发明
国别省市：
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