CN102683881B - 正后馈式卫星电视天线及卫星电视收发系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种正后馈式卫星电视天线，让位于一侧的卫星电视信号透过而被位于另一侧的卫星电视信号收发器所接收，包括固定于房屋窗户的超材料面板，所述超材料面板包括核心层和设置在核心层上卫星电视信号入射侧的阻抗匹配层，所述核心层包括多个厚度相同且折射率分布相同的核心层片层，每个核心层片层包括叠加在一起的呈片状的第一基材、第二基材以及置于所述第一基材和第二基材之间的多个人造微结构，所述卫星电视信号收发器与所述核心层片层的中心的连线垂直于所述核心层片层。本发明正后馈式卫星电视天线，由片状的超材料面板代替了传统的抛物面天线，制造加工容易，成本低廉，且产品的一致性高。本发明还提供了一种卫星电视收发系统。

Description

正后馈式卫星电视天线及卫星电视收发系统

技术领域

本发明涉及通信领域，更具体地说，涉及一种正后馈式卫星电视天线及其卫星电视收发系统。

背景技术

传统的卫星电视接收系统是由抛物面天线、馈源、高频头、卫星电视信号转换机组成的卫星地面接收站。抛物面天线负责将卫星电视信号反射到位于焦点处的馈源和高频头。馈源是在抛物面天线的焦点处设置的一个用于收集卫星信号的喇叭，又称波纹喇叭。其主要功能有两个：一是将天线接收的电磁波信号收集起来，变换成信号电压，供给高频头。二是对接收的电磁波进行极化转换。高频头LNB(亦称降频器)是将馈源送来的卫星电视信号进行降频和信号放大然后传送至卫星电视信号转换机。一般可分为C波段频率LNB(3.7GHz-4.2GHz、18-21V)和Ku波段频率LNB(10.7GHz-12.75GHz、12-14V)。LNB的工作流程就是先将卫星高频讯号放大至数十万倍后再利用本地振荡电路将高频讯号转换至中频950MHz-2050MHz，以利于同轴电缆的传输及卫星电视信号转换机的解调和工作。卫星电视信号转换机是将高频头输送来的卫星电视信号进行解调，解调出卫星电视图像或数字信号和伴音信号。

接收卫星电视信号时，平行的电磁波(平面波)通过抛物面天线反射后，汇聚到馈源上。通常，抛物面天线对应的馈源是一个喇叭天线。

但是由于抛物面天线的反射面的曲面加工难度大，精度要求也高，因此，制造麻烦、成本较高，且产品的一致性较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有的卫星电视天线加工不易、成本高且产品一致性较差的缺陷，提供一种加工简单、制造成本低及产品一致性高的正后馈式卫星电视天线。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种正后馈式卫星电视天线，让位于一侧的卫星电视信号透过而被位于另一侧的馈源所接收或让由位于一侧的卫星电视信号收发器产生的卫星电视信号透过而从另一侧发出，包括固定于房屋窗户的超材料面板，所述超材料面板包括核心层和设置在核心层上卫星电视信号入射侧的阻抗匹配层，所述核心层包括多个厚度相同且折射率分布相同的核心层片层，每个核心层片层包括叠加在一起的呈片状的第一基材、第二基材以及置于所述第一基材和第二基材之间的多个人造微结构，所述卫星电视信号收发器与所述核心层片层的中心的连线垂直于所述核心层片层；以所述核心层片层所在的平面为xoy坐标面，将所述核心层片层的中心作为原点O，以指向卫星的方向为y轴的正向，以通过原点O并垂直于xoy坐标面的直线为z轴，且以指向卫星的方向为z轴的正向，建立xyz三维直角坐标系，则所述核心层片层上任意一点的折射率n(x，y，0)为：

$n(x,y,0)=n_{\max }-\frac{\mathrm{dis}-v_{\mathrm{segment}}}{\stackrel{\‾}{D}}\text{,}$

dis＝d₁+d₂，

$d_1=\sqrt{x^2+y^2+z_{\mathrm{source}}^2},$

d₂＝sinαcosβ(x-x_A)-sinβ(y-y_A)，

V_segment＝ss+λ*num_segment，

ss＝-sinαcosβx_A+sinβy_A-cosαcosβz_source，

${\mathrm{num}}_{\mathrm{segment}}=\mathrm{floor}\left(\frac{\mathrm{dis}-\mathrm{ss}}{\mathrm{\λ}}\right),$

$\stackrel{\‾}{D}=\frac{\mathrm{\λ}}{n_{\max }-n_{\min }},$

其中，n_max表示核心层片层的折射率的最大值；

n_min表示核心层片层的折射率的最小值；

α、β分别为卫星的方位角和仰角，方位角是卫星与正南方向之间的夹角，记南偏西记为正值、南偏东为负值，仰角是卫星与水平面之间的夹角；

(x_A，y_A，0)表示卫星在核心层片层上的投影点与原点O的连线OA与核心层片层边界的交点A，其坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_A=-\frac{L}{2}\sin \mathrm{\γ}\\ y_A=\frac{L}{2}\cos \mathrm{\γ}\\ 0\end{array}\right.,$

L表示核心层片层上以OA连线为半径所形成的圆的直径；

γ表示卫星在核心层片层上的投影点与原点O的连线OA与y轴之间的夹角，γ为：

$\mathrm{\γ}={\tan }^{-1}\left(\frac{\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}}{\sin \mathrm{\β}}\right),$

γ取正值，y轴逆时针旋转γ角度得到直线OA，γ取负值，y轴顺时针旋转γ角度得到直线OA；

λ表示卫星电视信号的波长；

floor表示向下取整；

(0，0，z_source)表示等效虚拟点源的坐标。

进一步地，所述超材料面板还包括设置在核心层的另一相对侧的阻抗匹配层。

进一步地，每个阻抗匹配层包括多个阻抗匹配层片层，每个阻抗匹配层片层包括叠加在一起的呈片状的第一基材、第二基材以及置于所述第一基材和第二基材之间的多个人造微结构。

进一步地，阻抗匹配层片层的折射率n_i为：

其中，i表示阻抗匹配层片层的编号，靠近所述核心层的阻抗匹配层片层的编号为m，由核心层向z轴的正负两个方向，编号依次减小，核心层任一侧的最外侧的阻抗匹配层片层的编号为1。

进一步地，所述核心层的厚度d_MID与其任一侧的阻抗匹配层的厚度d_IML之间满足下列关系式：

λ≈(n_max-n_min)*(d_MID+2d_IML)。

进一步地，所述核心层片层和阻抗匹配层片层的第一基材、第二基材均由聚苯乙烯制成。

进一步地，所述核心层片层的第一基材和第二基材的厚度均为0.5mm。

进一步地，所述阻抗匹配层片层的第一基材和第二基材的厚度均为0.5mm。

进一步地，所述人造微结构是呈平面雪花状的金属微结构，所述金属微结构具有相互垂直平分的第一金属线及第二金属线，所述第一金属线与第二金属线的长度相同，所述第一金属线两端连接有相同长度的两个第一金属分支，所述第一金属线两端连接在两个第一金属分支的中点上，所述第二金属线两端连接有相同长度的两个第二金属分支，所述第二金属线两端连接在两个第二金属分支的中点上，所述第一金属分支与第二金属分支的长度相等。

进一步地，所述核心层片层和阻抗匹配层片层中，每个金属微结构及其所在的第一基材和第二基材部分称为一个超材料单元，所述超材料单元是一长、宽均等于2.8mm的方形区域。

根据本发明的正后馈式卫星电视天线，由片状的超材料面板代替了传统的抛物面天线，制造加工更加容易，成本更加低廉，且产品的一致性高，同时，本发明的正后馈式卫星电视天线固定于窗户，可延长其使用寿命。

另外，本发明还提供了一种卫星电视收发系统。

一种卫星电视收发系统，包括馈源、与馈源电性连接的高频头、与高频头电性连接的信号转换机和正后馈式卫星电视天线，所述馈源位于所述正后馈式卫星电视天线上与卫星电视信号入射侧相对的另一侧，所述正后馈式卫星电视天线包括固定于房屋窗户的超材料面板。

进一步地，所述高频头的输入频率为11.7～12.2GHz。

附图说明

图1是本发明一实施例中的正后馈式卫星电视天线的结构示意图；

图2是本发明的核心层片层的结构示意图；

图3是本发明的核心层片层中的一个超材料单元的透视示意图；

图4是本发明的平面雪花状的金属微结构的示意图；

图5是本发明的阻抗匹配层片层的结构示意图；

图6和图7是本发明的一个长、宽均为L的核心层片层的示意图，其中建立了三维直角坐标系xyz；

图8是图4中的平面雪花状的金属微结构的拓扑形状的演变的第一阶段；

图9是图4中的平面雪花状的金属微结构的拓扑形状的演变的第二阶段；

图10是图4所示的平面雪花状的金属微结构的一种衍生结构；

图11是图4所示的平面雪花状的金属微结构的一种变形结构；

图12是本发明一实施例中的卫星电视收发系统的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明一实施例的正后馈式卫星电视天线的结构示意图，所述正后馈式卫星电视天线包括超材料面板100，其包括核心层10及设置核心层的两相对侧表面的阻抗匹配层20。所述超材料面板100可呈方形、圆形或椭圆形等任意形状，如图1中所示的超材料面板100呈方形。

请继续参考图2至图4，所述核心层10包括多个重叠在一起的厚度相同且折射率分布相同的核心层片层11。本实施例中，所述核心层10包括四个核心层片层11，如图1所示。每个核心层片层11包括叠加在一起的呈片状的第一基材131、第二基材132以及置于所述第一基材131和第二基材132之间的多个人造微结构12。一般将每个人造微结构12及其所在的第一基材131和第二基材132部分称为一个超材料单元，如图4所示，则所述核心层片层11可看作是由多个超材料单元阵列而成。一般，超材料单元的几何尺寸与穿过所述核心层片层11的电磁波波长有关。本实施例中，所述核心层片层11的厚度为1.018mm，其中，第一基板131及第二基板132的厚度均为0.5mm，人造微结构12的厚度为0.018mm。

请继续参考图5，所述阻抗匹配层20包括多个重叠在一起的厚度相同的阻抗匹配层片层21。本实施例中，所述阻抗匹配层20包括两个阻抗匹配层片层21，每个阻抗匹配层片层21与核心层片层11一样，包括叠加在一起的呈片状的第一基材231、第二基材232以及置于所述第一基材231和第二基材232之间的多个人造微结构(图未示)。

请继续参考图6和图7，以所述核心层片层11所在的平面为xoy坐标面建立直角坐标系。以所述核心层片层11上的任一直线作为y轴(也即铅垂线)，以指向卫星7的方向为y轴的正向，将y轴上的任意一点(图7中为核心层片层11的中心)作为原点O，以通过原点O并垂直于y轴的直线为x轴、以通过原点O并垂直于xoy坐标面(也即所述核心层片层11)的直线为z轴，且以指向卫星7的方向为z轴的正向，从而建立xyz三维直角坐标系。则所述核心层片层11上任意一点的折射率n(x，y，0)为：

$n(x,y,0)=n_{\max }-\frac{\mathrm{dis}-v_{\mathrm{segment}}}{\stackrel{\‾}{D}}\text{---}\left(1\right),$

dis＝d₁+d₂(2)，

$d_1=\sqrt{x^2+y^2+z_{\mathrm{source}}^2}---\left(3\right),$

d₂＝sinαcosβ(x-x_A)-sinβ(y-y_A)(4)，

V_segment＝ss+λ*num_segment  (5)，

ss＝-sinαcosβx_A+sinβy_A-cosαcosβz_source    (6)，

${\mathrm{num}}_{\mathrm{segment}}=\mathrm{floor}\left(\frac{\mathrm{dis}-\mathrm{ss}}{\mathrm{\λ}}\right)---\left(7\right),$

$\stackrel{\‾}{D}=\frac{\mathrm{\λ}}{n_{\max }-n_{\min }}---\left(8\right),$

其中，n_max表示核心层片层11的折射率的最大值；

n_min表示核心层片层11的折射率的最小值；

α、β分别为卫星的方位角和仰角，方位角是卫星与正南方向之间的夹角，记南偏西记为正值、南偏东为负值，仰角是卫星与水平面之间的夹角；

(x_A，y_A，0)表示卫星在核心层片层11上的投影点与原点O的连线OA与核心层片层11边界的交点A，其坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_A=-\frac{L}{2}\sin \mathrm{\γ}\\ y_A=\frac{L}{2}\cos \mathrm{\γ}\\ 0\end{array}\right.---\left(9\right),$

L表示核心层片层11上以OA连线为半径所形成的圆的直径；

γ表示卫星7在核心层片层11上的投影点与原点O的连线OA与铅垂线(图7中为y轴)之间的夹角，γ为：

$\mathrm{\γ}={\tan }^{-1}\left(\frac{\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}}{\sin \mathrm{\β}}\right)---\left(10\right),$

γ取正值，铅垂线逆时针旋转γ角度得到直线OA，γ取负值，铅垂线顺时针旋转-γ角度得到直线OA；

λ表示卫星7发出的卫星电视信号的波长；

floor表示向下取整；

(0，0，z_source)表示等效虚拟点源8的坐标。实际设计时，由于电磁波的传播可逆，可在拟放置高频头的位置放置一同频率的发射天线如馈源(发射电磁波的波纹喇叭)，并保证发射天线的相位中心与高频头的相位中心放置在同一点，且高频头指向所述核心层片层11的对称轴与馈源轴线(即馈源的最大辐射方向)共线，让馈源的最高点与所述核心层片层11的下边缘位于同一平面上，根据馈源即波纹喇叭的相关参数和与等效虚拟点源8的位置关系即可算得等效虚拟点源8的坐标值。

所述阻抗匹配层片层21的折射率为：

$n_i={\left(\frac{n_{\min }+n_{\max }}{2}\right)}^{\frac{m-i}{m}}---\left(11\right),$

其中，i表示阻抗匹配层片层21的编号，靠近所述核心层10的阻抗匹配层片层的编号为m，由核心层10向z轴的正负两个方向，编号依次减小，所述核心层10任一侧的最外侧的阻抗匹配层片层21的编号为1，且所述核心层10的厚度d_MID与其任一侧的阻抗匹配层20的厚度d_IML之间满足下列关系式：

λ≈(n_max-n_min)*(d_MID+2d_IML)；

本实施例中，m＝2，而n_max、n_min为核心层片层11的折射率的最大值和最小值，同上。

实验证明，电磁波经过非均匀介质时会向折射率比较大的方向偏折。而折射率等于也即介质的折射率取决于其介电常数和磁导率。对于超材料来说，可以一个超材料单元作为计算折射率的基本单元来构建其折射率分布。一般，基材单位面积上人造微结构的拓扑形状越大，其对应超材料单元的介电常数越大；反之，介电常数越小。在磁导率一定的情况下(通常接近1)，折射率只与介电常数有关，在基材选定的情况下，利用只对电场响应的人造微结构可以实现超材料单元的折射率的任意值(在一定范围内)，在卫星7的中心频率(如11.95GHZ)下，利用仿真软件，如CST、MATLAB、COMSOL等，通过仿真获得某一特定形状的人造微结构(如图4所示的平面雪花状的人造微结构)的介电常数随着拓扑形状的变化折射率变化的情况，即可列出一一对应的数据，从而设计出我们需要的具有特定折射率分布的核心层片层11和阻抗匹配层片层21，从而得到所述超材料面板100。

本实施例中，所述核心层片层11的结构设计可通过计算机仿真(CST仿真)得到，具体如下：

(1)确定人造微结构12的附着基材(第一基材131和第二基材132)。本实施例中，所述第一基材131和第二基材132是透光性好、电磁损耗低的聚苯乙烯(英文名为polystyrene，简称PS)基材，其介电常数ε极低。如在11.95GHz下，PS基材的介电常数ε＝2.7，损耗角正切为2*10^-4。

(2)确定超材料单元的尺寸。超材料单元的尺寸由天线所要接收的电磁波的中心频率得到，利用频率得到其波长，再取小于波长的五分之一的一个数值做为超材料单元D的长度CD与宽度KD。本发明中，所述超材料单元D为如图3所示的长CD与宽KD均为2.8mm、厚度HD为1.018mm的方形小板。

(3)确定人造微结构的材料及拓扑结构。本实施例中，人造微结构是由铜线构成的金属微结构，其拓扑结构为图4所示的平面雪花状的金属微结构，其线宽W各处一致；此处的拓扑结构，是指拓扑形状演变的基本形状。

(4)确定人造微结构的拓扑形状参数。如图4所示，本实施例中，平面雪花状的人造微结构的拓扑形状参数包括金属微结构的线宽W，第一金属线J1的长度a，第一金属分支F1的长度b。

(5)确定人造微结构的拓扑形状的演变限制条件。本实施例中，金属微结构的拓扑形状的演变限制条件有，金属微结构之间的最小间距WL(即如图4所示，金属微结构与超材料单元的长边或宽边的距离为WL/2)，金属微结构的线宽W，超材料单元的尺寸；由于加工工艺限制，WL大于等于0.1mm，同样，线宽W也是要大于等于0.1mm。第一次仿真时，WL可以取0.1mm，W可以取0.3mm，超材料单元的尺寸为长与宽为2.8mm，厚度为0.018mm，此时金属微结构的拓扑形状参数只有a和b两个变量。金属微结构的拓扑形状通过如图8至图9所示的演变方式，对应于某一特定频率(例如11.95GHZ)，可以得到一个连续的折射率变化范围。

具体地，所述人造微结构的拓扑形状的演变包括两个阶段(拓扑形状演变的基本形状为图4所示的金属微结构)：

第一阶段：根据演变限制条件，在b值保持不变的情况下，将a值从最小值变化到最大值，此演变过程中的金属微结构均为“十”字形(a取最小值时除外)。本实施例中，a的最小值即为0.3mm(线宽W)，a的最大值为(CD-WL)，。因此，在第一阶段中，金属微结构的拓扑形状的演变如图8所示，即从边长为W的正方形JX1，逐渐演变成最大的“十”字形拓扑形状JD1。在第一阶段中，随着金属微结构的拓扑形状的演变，与其对应的超材料单元的折射率连续增大(对应一特定频率)。

第二阶段：根据演变限制条件，当a增加到最大值时，a保持不变；此时，将b从最小值连续增加到最大值，此演变过程中的金属微结构均为平面雪花状。本实施例中，b的最小值即为0.3mm(线宽W)，b的最大值为(CD-WL-2W)。因此，在第二阶段中，金属微结构的拓扑形状的演变如图9所示，即从最大的“十”字形拓扑形状JD1，逐渐演变成最大的平面雪花状的拓扑形状JD2，此处的最大的平面雪花状的拓扑形状JD2是指，第一金属分支J1与第二金属分支J2的长度b已经不能再伸长，否则第一金属分支与第二金属分支将发生相交。在第二阶段中，随着金属微结构的拓扑形状的演变，与其对应的超材料单元的折射率连续增大(对应天线一特定频率)。

通过上述演变得到超材料单元的折射率变化范围如果满足设计需要(即此变化范围包含了n_min-n_max的范围)。如果上述演变得到超材料单元的折射率变化范围不满足设计需要，例如最大值太小，则变动WL与W，重新仿真，直到得到我们需要的折射率变化范围。

根据公式(1)至(10)，将仿真得到的一系列的超材料单元按照其对应的折射率排布以后(实际上就是不同拓扑形状的多个人造微结构在基材上的排布)，即能得到本实施例的核心层片层11。

同理，可以得到本实施例的阻抗匹配层片层21。

上述人造微结构可通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法分别附着在第一基材，将第二基材压合在第一基材上，压合的方法可以是直接热压，也可以是利用热熔胶连接，当然也可是其它机械式的连接，例如螺栓连接。优选地，所述核心层片层11和阻抗匹配层片层21中的人造微结构均为图4所示的平面雪花状的金属微结构通过拓扑形状演变得到的多个不同的拓扑形状的金属微结构。

同理，所述阻抗匹配层片层21也可以利用相同的方法得到。然后分别将多个核心层片层11压合一体，即形成了本发明的核心层10；将核心层10、阻抗匹配层20(即两阻抗匹配层片层21)压合在所述核心层10的两侧表面即得到本发明的超材料面板100。

图3为透视画法，以表示人造微结构12在超材料单元D中的位置，如图2所示，所述人造微结构12夹于两基板单元U、V之间，其所在表面用SR表不。

再请参考图4，所述雪花状的金属微结构具有相互垂直平分的第一金属线J1及第二金属线J2，所述第一金属线J1与第二金属线J2的长度相同，所述第一金属线J1两端连接有相同长度的两个第一金属分支F1，所述第一金属线J1两端连接在两个第一金属分支F1的中点上，所述第二金属线J2两端连接有相同长度的两个第二金属分支F2，所述第二金属线J2两端连接在两个第二金属分支F2的中点上，所述第一金属分支F1与第二金属分支F2的长度相等。

图10是图4所示的平面雪花状的金属微结构的一种衍生结构。其在每个第一金属分支F1及每个第二金属分支F2的两端均连接有完全相同的第三金属分支F3，并且相应的第三金属分支F3的中点分别与第一金属分支F1及第二金属分支F2的端点相连。依此类推，本发明还可以衍生出其它形式的金属微结构。

图11是图4所示的平面雪花状的金属微结构的一种变形结构，此种结构的金属微结构，第一金属线J1与第二金属线J2不是直线，而是弯折线，第一金属线J1与第二金属线J2均设置有两个弯折部WZ，但是第一金属线J1与第二金属线J2仍然是垂直平分，通过设置弯折部的朝向与弯折部在第一金属线与第二金属线上的相对位置，使得图4所示的金属微结构绕垂直于第一金属线与第二金属线交点的轴线向任意方向旋转90度的图形都与原图重合。另外，还可以有其它变形，例如，第一金属线J1与第二金属线J2均设置多个弯折部WZ。

图12是本发明一实施例的卫星电视收发系统的结构示意图。所述卫星电视收发系统包括正后馈式卫星电视天线30、固定于地面的安装座40、可动地固定于所述安装座40的卫星电视信号收发器50(本实施例中由电性连接在一起的馈源和高频头组成)以及与卫星电视信号收发器50通过电缆连接的信号转换机60。所述正后馈式卫星电视天线30固定于任何地方，如固定于房屋的窗户70内侧，这样可避免外界的恶劣环境对所述正后馈式卫星电视天线30的损坏，延长其使用寿命，而且对用户来说可于室内对所述卫星电视信号收发器50进行三维调节，使用非常方便。实际安装时，可用钉子或固定销将所述正后馈式卫星电视天线30固定于具有玻璃或没有玻璃的窗户上，或用胶水直接粘贴于窗户的玻璃上。事实上，由于所述正后馈式卫星电视天线30由透明材料制成，可直接安装于窗户上，作为室内与外界的隔离物，而无需安装玻璃。让所述卫星电视信号收发器50位于所述正后馈式卫星电视天线30的焦点上。所述卫星电视信号收发器50包括馈源和高频头，主要是为了接收、发送双向卫星电视信号，实际上，也可根据用户的需要只做为接收器或发送器，接收或发送单向卫星电视信号。

另外，本发明中，所述卫星电视信号收发器50所用的高频头的输入频率为11.7～12.2GHz，输出频率为950～1450MHz，如同洲电子的CL11R一体化高频头，可收看大部分Ku波段卫星电视。所述正后馈式卫星电视天线30以中心频率为11.95GHz进行设计。且高频头能够实现三维可调，以针对不同地区的用户需求。现有技术中存在很多实现此功能的机械连接机构，故不再赘述。信号转换机60可使用用于接收中星9号的卫星电视信号的同洲电子N6188。

根据本发明的正后馈式卫星电视天线及其系统，用片状的超材料面板100代替了传统的抛物面天线，制造加工更加容易，成本更加低廉，且产品的一致性高。同时，本发明的正后馈式卫星电视天线由于由透明的PS基材制成，当固定于房屋的窗户内侧时，不仅可使其使用寿命延长，而且也不会影响室内的采光。另外，与将其放置在室外相比，由于窗户对电磁波的影响较小，所以不会造成信号变差，特别是当将所述超材料面板100直接固定窗户上，而不安装玻璃时效果更好；所述超材料面板100占用空间小、节省成本、安装简单。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (12)

1.一种正后馈式卫星电视天线，其特征在于，所述正后馈式卫星电视天线让位于一侧的卫星电视信号透过而被位于另一侧的卫星电视信号收发器所接收或让由位于一侧的卫星电视信号收发器产生的卫星电视信号透过而从另一侧发出，包括固定于房屋窗户的超材料面板，所述超材料面板包括核心层和设置在核心层上卫星电视信号入射侧的阻抗匹配层，所述核心层包括多个厚度相同且折射率分布相同的核心层片层，每个核心层片层包括叠加在一起的呈片状的第一基材、第二基材以及置于所述第一基材和第二基材之间的多个人造微结构，所述卫星电视信号收发器与所述核心层片层的中心的连线垂直于所述核心层片层；以所述核心层片层所在的平面为xoy坐标面，将所述核心层片层的中心作为原点O，以指向卫星的方向为y轴的正向，以通过原点O并垂直于xoy坐标面的直线为z轴，且以指向卫星的方向为z轴的正向，建立xyz三维直角坐标系，则所述核心层片层上任意一点的折射率n(x，y，0)为：

$n(x,y,0)=n_{\max }-\frac{\mathrm{dis}-v_{\mathrm{segment}}}{\stackrel{\‾}{D}},$

dis＝d₁+d₂,

$d_1=\sqrt{x^2+y^2+z_{\mathrm{source}}^2},$

d₂＝sinαcosβ(x-x_A)-sinβ(y-y_A),

v_segment＝ss+λ*num_segment,

ss＝-sinαcosβx_A+sinβy_A-cosαcosβz_source,

${\mathrm{num}}_{\mathrm{segment}}=\mathrm{floor}\left(\frac{\mathrm{dis}-\mathrm{ss}}{\mathrm{\λ}}\right),$

$\stackrel{\‾}{D}=\frac{\mathrm{\λ}}{n_{\max }-n_{\min }},$

其中，n_max表示核心层片层的折射率的最大值；

n_min表示核心层片层的折射率的最小值；

α、β分别为卫星的方位角和仰角，方位角是卫星与正南方向之间的夹角，记南偏西为正值、南偏东为负值，仰角是卫星与水平面之间的夹角；

(x_A，y_A，0)表示卫星在核心层片层上的投影点与原点O的连线OA与核心层片层边界的交点A，其坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_A=-\frac{L}{2}\sin \mathrm{\γ}\\ y_A=\frac{L}{2}\cos \mathrm{\γ}\\ 0\end{array}\right.,$

L表示核心层片层上以OA连线为半径所形成的圆的直径；

γ表示卫星在核心层片层上的投影点与原点O的连线OA与y轴之间的夹角，γ为：

$\mathrm{\γ}={\tan }^{-1}\left(\frac{\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}}{\sin \mathrm{\β}}\right),$

γ取正值，y轴逆时针旋转γ角度得到直线OA，γ取负值，y轴顺时针旋转γ角度得到直线OA；

λ表示卫星电视信号的波长；

floor表示向下取整；

(0，0，z_source)表示等效虚拟点源的坐标。

2.根据权利要求1所述的正后馈式卫星电视天线，其特征在于，所述超材料面板还包括设置在核心层的卫星电视信号入射侧相对的另一侧的阻抗匹配层。

3.根据权利要求2所述的正后馈式卫星电视天线，其特征在于，每个阻抗匹配层包括多个阻抗匹配层片层，每个阻抗匹配层片层包括叠加在一起的呈片状的第一基材、第二基材以及置于所述第一基材和第二基材之间的多个人造微结构。

4.根据权利要求3所述的正后馈式卫星电视天线，其特征在于，阻抗匹配层片层的折射率ni为：

其中，i表示阻抗匹配层片层的编号，靠近所述核心层的阻抗匹配层片层的编号为m，由核心层向z轴的正负两个方向，编号依次减小，核心层任一侧的最外侧的阻抗匹配层片层的编号为1。

5.根据权利要求3所述的正后馈式卫星电视天线，其特征在于，所述核心层的厚度d_MID与其任一侧的阻抗匹配层的厚度d_IML之间满足下列关系式：

λ≈(n_max-n_min)*(d_MID+2d_IML)。

6.根据权利要求3所述的正后馈式卫星电视天线，其特征在于，所述核心层片层和阻抗匹配层片层的第一基材、第二基材均由聚苯乙烯制成。

7.根据权利要求6所述的正后馈式卫星电视天线，其特征在于，所述核心层片层的第一基材和第二基材的厚度均为0.5mm。

8.根据权利要求7所述的正后馈式卫星电视天线，其特征在于，所述阻抗匹配层片层的第一基材和第二基材的厚度均为0.5mm。

9.根据权利要求8所述的正后馈式卫星电视天线，其特征在于，所述人造微结构是呈平面雪花状的金属微结构，所述金属微结构具有相互垂直平分的第一金属线及第二金属线，所述第一金属线与第二金属线的长度相同，所述第一金属线两端连接有相同长度的两个第一金属分支，所述第一金属线两端连接在两个第一金属分支的中点上，所述第二金属线两端连接有相同长度的两个第二金属分支，所述第二金属线两端连接在两个第二金属分支的中点上，所述第一金属分支与第二金属分支的长度相等。

10.根据权利要求9所述的正后馈式卫星电视天线，其特征在于，所述核心层片层和阻抗匹配层片层中，每个金属微结构及其所在的第一基材和第二基材部分称为一个超材料单元，所述超材料单元是一长、宽均等于2.8mm的方形区域。

11.一种卫星电视收发系统，包括馈源、与馈源电性连接的高频头以及与高频头电性连接的信号转换机，其特征在于，所述卫星电视收发系统还包括如权利要求1至10中任意一项所述的正后馈式卫星电视天线，所述馈源位于所述正后馈式卫星电视天线上与卫星电视信号入射侧相对的另一侧。

12.根据权利要求11所述的卫星电视收发系统，其特征在于，所述高频头的输入频率为11.7～12.2GHz。