交联聚苯乙烯应用在雷达频率超材料测量和表征装置中的打磨过程

背景介绍：GTRI 聚焦光束系统

GTRI FBS（自由空间聚焦光束系统）的设计初衷是为了补充普通传输线系统（如波导、同轴线和谐振腔）在s参数测量方面的局限性。传统的传输线固定装置主要设计用于均匀、低损耗的材料样品，然而，由于样品的不均匀性、电导率差异以及样品与传输线之间可能存在的空气间隙，这些系统往往难以提供准确的测量结果。

相比之下，自由空间聚焦光束系统展现出显著的优势。首先，它能够实现宽频带的覆盖，使得测量更为全面。其次，样品制备过程更为简便，提高了测量效率。再者，该系统允许使用不同的入射角进行测量，增加了测量的灵活性。最重要的是，由于自由空间方法无需与样品进行物理接触，因此能够消除因气隙产生的误差，提高了测量的准确性。

此外，自由空间方法通常也更适合于表征非均匀、有损和各向异性的材料。这类材料在传统传输线系统中往往难以准确测量，而自由空间聚焦光束系统则能够提供更可靠的解决方案。

GTRI 聚焦光束系统采用透镜将微波能量精确地聚焦在样品上。这种聚焦技术旨在模拟平面波对样品的照明效果，同时最小化由于衍射效应导致的样品边缘过度照明，从而降低了由此产生的测量误差（这类误差通常被视为22个主要的测量误差源之一）。

GTRI FBS在设计上是模块化的，因此它可以用于单静态和各种双静态配置。该系统有两个臂，每个臂支持一个天线和交联聚苯乙烯透镜。样品架放置在两臂之间，可以由1台电脑转动。天线和镜头在手臂上的位置可以沿着平移轨道改变不同的焦点。

案例中提到的透镜材料为交联聚苯乙烯

交联聚苯乙烯是一种独特的交联聚苯乙烯微波塑料，具有卓越的介电性能。其介电常数稳定在2.53，折射率1.59，且耗散系数极低。交联聚苯乙烯能够承受高电压，在电气性能方面优于丙烯酸、环氧树脂、脲烷等常规塑料材料。

材料的铸件展现出无应力的特性，这意味着在正常载荷下，它不会永久变形，确保了长期使用的稳定性。在光学性能方面，交联聚苯乙烯的光传输效率近似于丙烯酸。而在声学性能方面，其阻抗接近于水。

交联聚苯乙烯在加工处理中表现良好，能够耐受水、碱、醇和脂肪烃等化学物质。然而，需要注意的是，芳香烃和氯化烃等特定化学物质可能引起材料的膨胀，因此应避免接触。

在重量方面，交联聚苯乙烯比丙烯酸轻15%，其重量甚至不到聚四氟乙烯的一半，这使得它在轻量化设计应用中具有显著优势。

在这个模拟实验中的交联聚苯乙烯材料是一个48英寸x24英寸的平板，大约2英寸厚。实际加工将透镜的厚度限制在2英寸的平板厚度内，从而将波导的间距限制在2英寸内。

透镜都是用高动力的水射流从交联聚苯乙烯板上粗糙地切割出来的。在粗糙的切割之后，镜头被精密加工到每个轮廓面的公差和每个平面上低至0.0018’’。下图展示了加工后的一个大镜头。

每个镜头的每个面都必须经过抛光。虽然不确定抛光必须达到什么程度，但要完成足够的抛光，去除所有的加工痕迹，才能使表面达到最大的透明度。轮廓面的抛光耗时比平面面要长得多。抛光的方法是将一张1000粒的砂纸粘在一个精确的平板上，同时在砂纸上拉动和滚动镜头。通过一个平面可以看到加工痕迹的亮度降低。如图所示。

使用 1000 粒度的砂纸持续打磨约800次,直到去除了明亮的加工痕迹。将透镜转移到1500粒的砂纸上又进行大约200次的打磨。透镜的表面变得更加光滑，几乎达到了镜面效果。然后使用龟牌蜡和美光抛光剂涂抹在透镜上面。如图 ,在抛光大约8小时后,位于 PPWG 的底板上。

最后材料形成的镜片的样子：