CN102709669B - 一种集合有超材料卫星天线的太阳能热水器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种集合有超材料卫星天线的太阳能热水器，其包括具有太阳能吸热板的太阳能热水器，用于接收卫星信号的超材料卫星天线系统；所述超材料卫星天线系统包括高频头、紧贴于所述太阳能吸热板底面设置的平板超材料以及位于所述平板超材料背部的反射板，所述平板超材料包括至少一层超材料片层，每层超材料片层包括基材以及周期排布于基材上的人造微结构。本发明采用超材料原理制备平板超材料卫星天线，并使其与现有的太阳能热水器很好的集合成一体，使得太阳能热水器达到一物多用的效果，并能有效节省空间。

Description

一种集合有超材料卫星天线的太阳能热水器

技术领域

本发明涉及一种太阳能热水器，尤其涉及一种集合有超材料卫星天线的太阳能热水器。

背景技术

太阳能热水器是指利用太阳能吸收板将太阳能转换为热能的一种装置。太阳能热水器一般设置于屋顶或阳台上以最大限度的吸收太阳能。

现有的卫星天线为了能更好的接收卫星信号也一般放置于屋顶或阳台上，然而现有的卫星天线均呈抛物面形状，使得其不能很好的和太阳能热水器集合于一体从而达到节省空间并能保护卫星天线的效果，使得太阳能热水器能够一物二用，扩大其使用范围。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述不足，提出一种集合有超材料卫星天线的太阳能热水器。该太阳能热水器中的超材料卫星天线加工简单、造价较低且形状为平板状、体积较小，能与太阳能热水器中的吸热板有效集合，且安装和维护简单。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，提出一种集合有超材料卫星天线的太阳能热水器，其包括具有太阳能吸热板的太阳能热水器，用于接收卫星信号的超材料卫星天线系统；所述超材料卫星天线系统包括高频头、紧贴于所述太阳能吸热板底面设置的平板超材料以及位于所述平板超材料背部的反射板，所述平板超材料包括至少一层超材料片层，每层超材料片层包括基材以及周期排布于基材上的人造微结构，所述超材料片层上按照折射率分布划分为多个带状区域，以高频头等效虚拟点源在所述超材料片层平面的垂直投影点为圆心，所述多个带状区域上相同半径处的折射率相同，每一带状区域上随着半径的增大折射率逐渐减小，相邻两个带状区域，靠近圆心侧的带状区域的折射率最小值小于远离圆心侧的带状区域的折射率最大值；所述每一带状区域上，随着半径的增大，折射率值均从所述超材料片层所具有的最大折射率值逐渐减小为所述超材料片层所具有的最小折射率值；

以所述高频头的对称轴线与所述平板超材料的与所述高频头相对的外表面的交点为坐标原点，以垂直于所述平板超材料外表面的直线为x轴，所述x轴的方向朝向所述高频头所在的一侧，以所述高频头的对称轴线和所述x轴所在平面与所述平板超材料外表面的交线为y轴，所述y轴的方向远离所述高频头，所述高频头的最低点与所述平板超材料的上边沿的y坐标值相等，所述超材料片层纵剖面的折射率值随着坐标y值变化，其折射率分布n(y)满足如下公式：

$n\left(y\right)=n_{\max }-\frac{(n_{\max }-n_{\min })*[d_1+d_2-\mathrm{ss}-\mathrm{\λ}*\mathrm{floor}\left(\frac{d_1+d_2-\mathrm{ss}}{\mathrm{\λ}}\right)]}{\mathrm{\λ}};$

$d_1=\sqrt{x_2^2+{(y+y_2)}^2};$

d₂＝H-h-y*sinγ；

ss＝H-h-y₂*sinγ+x₂*cosγ；

$x_2=\frac{h+\frac{d}{2}*\cos \mathrm{\θ}}{\tan \mathrm{\θ}}+d_s*\cos \mathrm{\θ};$

$y_2=-h-\frac{d}{2}*\cos \mathrm{\θ}+d_s*\sin \mathrm{\θ};$

其中，floor函数表示向下取整函数，θ为所述高频头对称轴与x轴夹角，γ为卫星与所述平板超材料平面的法线方向的夹角，h为坐标原点距平板超材料上边沿的距离，H为平板超材料在y轴方向上的总长度，d为高频头口径面的直径，d_s为高频头等效虚拟点源与高频头口径面中心点的距离，λ为卫星辐射的电磁波波长，n_max为超材料片层所具有的最大折射率值，n_min为超材料片层所具有的最小折射率值。

；；；；

进一步地，所述超材料片层还包括覆盖层，所述覆盖层材质与所述基材材质相同，均由FR-4、F4B或PS材料制成。

进一步地，所述平板超材料还包括外层阻抗匹配层以及内层阻抗匹配层，所述外层阻抗匹配层紧贴所述太阳能吸热板底面，所述外层阻抗匹配层纵剖面的折射率分布n₁(y)与所述超材料片层的折射率分布n(y)的对应关系为：

n₁(y)＝n_min+((2.545-n_min)*(n(y)-n_min)/(n_max-n_min))；

所述内层阻抗匹配层纵剖面的折射率分布n₂(y)与所述超材料片层的折射率分布n(y)的对应关系为：

n₂(y)＝n_min+((3.94-n_min)*(n(y)-n_min)/(n_max-n_min))。

进一步地，所述平板超材料包括两层超材料片层，每层超材料片层、外层阻抗匹配层以及内层阻抗匹配层厚度相同，均由0.254毫米厚度的覆盖层、0.038毫米厚度的微结构以及0.254毫米厚度的基材构成。

进一步地，所述人造微结构为人造金属微结构，所述人造金属微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着于所述基材上。

进一步地，所述人造金属微结构拓扑图案呈各向同性，各向同性是指沿所述人造金属微结构中心点将所述人造金属微结构在所述人造金属微结构所在平面上，按任意方向旋转90°后得到的新图案都与原图案重合。

进一步地，所述人造金属微结构呈平面雪花状，所述人造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，所述两个第一金属分支均与所述第一金属线垂直，所述两个第二金属分支均与所述第二金属线垂直。

进一步地，所述平面雪花状的人造金属微结构的每个第一金属分支及每个第二金属分支的两端还垂直连接有完全相同的第三金属分支，相应的第三金属分支的中点分别与第一金属分支及第二金属分支的端点相连。

进一步地，所述平面雪花状的人造金属微结构的第一金属线与第二金属线均设置有两个弯折部，所述平面雪花状的人造金属微结构绕第一金属线与第二金属线的交点在所述平面雪花状的人造金属微结构所在平面上向任意方向旋转90度的图形都与原图重合。

进一步地，所述高频头对称轴与x轴所成夹角θ为32°，卫星与所述平板超材料平面的法线方向夹角γ为35°，坐标原点距平板超材料上边沿距离h为247.2毫米，高频头口径面直径d为47.2毫米，虚拟点源与高频头口径面中心点距离d_s为1毫米，平板超材料折射率最小值为1.48，平板超材料折射率最大值为5.07。

本发明采用超材料原理制备平板超材料卫星天线，并使其与现有的太阳能热水器很好的集合成一体，使得太阳能热水器能集成卫星天线的功能，达到一物多用且节省空间的有益效果。

附图说明

图1为构成超材料的基本单元的结构示意图；

图2为本发明集合有超材料卫星天线的太阳能热水器的结构示意图；

图3为平板超材料纵剖面折射率分布计算示意图；

图4为平板超材料纵剖面折射率分布示意图；

图5为平板超材料正面折射率分布示意图；

图6为本发明一实施例中的人造微结构的拓扑图案；

图7为图6所示拓扑图案的一种衍生结构；

图8为图6所示拓扑图案的一种变形结构；

图9为平面雪花状的金属微结构的拓扑形状演变的第一阶段；

图10为平面雪花状的金属微结构的拓扑形状演变的第二阶段；

图11为利用馈源辐射电磁波后的仿真波形图；

图12为远场dB值测试结果图。

具体实施方式

光，作为电磁波的一种，其在穿过玻璃的时候，因为光线的波长远大于原子的尺寸，因此我们可以用玻璃的整体参数，例如折射率，而不是组成玻璃的原子的细节参数来描述玻璃对光线的响应。相应的，在研究材料对其他电磁波响应的时候，材料中任何尺度远小于电磁波波长的结构对电磁波的响应也可以用材料的整体参数，例如介电常数ε和磁导率μ来描述。通过设计材料每点的结构使得材料各点的介电常数和磁导率都相同或者不同从而使得材料整体的介电常数和磁导率呈一定规律排布，规律排布的磁导率和介电常数即可使得材料对电磁波具有宏观上的响应，例如汇聚电磁波、发散电磁波等。该类具有规律排布的磁导率和介电常数的材料称之为超材料。

如图1所示，图1为构成超材料的基本单元的立体结构示意图。超材料的基本单元包括人造微结构2以及该人造微结构附着的基材1。本发明中，人造微结构为人造金属微结构，人造金属微结构具有能对入射电磁波电场和/或磁场产生响应的平面或立体拓扑结构，改变每个超材料基本单元上的人造金属微结构的图案和/或尺寸即可改变每个超材料基本单元对入射电磁波的响应。本发明中，人造微结构2上还覆盖有覆盖层3，覆盖层3、人造微结构2以及基材1构成本发明超材料的基本单元。多个超材料基本单元按一定规律排列即可使得超材料对电磁波具有宏观的响应。由于超材料整体需对入射电磁波有宏观电磁响应因此各个超材料基本单元对入射电磁波的响应需形成连续响应，这要求每一超材料基本单元的尺寸小于入射电磁波波长的五分之一，优选为入射电磁波波长的十分之一。本段描述中，我们人为的将超材料整体划分为多个超材料基本单元，但应知此种划分方法仅为描述方便，不应看成超材料由多个超材料基本单元拼接或组装而成，实际应用中超材料是将人造金属微结构周期排布于基材上即可构成，工艺简单且成本低廉。周期排布即指上述人为划分的各个超材料基本单元上的人造金属微结构能对入射电磁波产生连续的电磁响应。

本发明即利用上述超材料原理设计一种平板状的超材料卫星天线，其能达到或超过现有的由抛物面形状的反射面构成的卫星天线的性能。且平板状的超材料卫星天线体积较小、能很好的与平板状的太阳能吸热板集合以构成本发明集合有超材料卫星天线的太阳能热水器，使得太阳能热水器具有一物多用的效果，并能有效节省空间。

如图2所示，图2为本发明集合有超材料卫星天线的太阳能热水器的结构示意图。本发明集合有超材料卫星天线的太阳能热水器包括具有太阳能吸热板20的太阳能热水器以及超材料卫星天线系统。

超材料卫星天线系统包括用于接收卫星信号并将接收到的卫星信号降频和放大的高频头11、平板超材料12、位于平板超材料12背部的反射板13以及用于支撑高频头11的支架14。反射板13可采用各类金属制作的金属反射板，只要其能达到反射电磁波的功能即可。平板超材料12由于其呈平板状、体积小且厚度薄，可以贴附太阳能吸热板20底面。

下面详细论述平板超材料12与高频头11的设计。由于平板超材料12是将卫星发出的平面波汇聚到高频头中，由高频头对平面波信号进行降频和放大处理。此处中，卫星辐射的初始电磁波实际为球面波，但因卫星距平板超材料12极远，当卫星发出的球面波到达平板超材料12时，球面电磁波已可被视为平面电磁波。在仿真测试和计算过程中，根据电磁波传播路径的可逆性，利用能发射电磁波的发射天线，例如馈源或初级辐射器等代替高频头，本实施例中，在仿真测试和计算时，采用馈源代替高频头，馈源辐射频率与卫星辐射的电磁波频率相同的球面电磁波且馈源辐射的球面波被平板超材料12转换为平面电磁波后辐射出去，测试被平板超材料12转换后的平面电磁波的远场各项参数即可确定实际运行中超材料卫星天线接收卫星信号的性能。

如图3所示，图3为平板超材料12纵剖面折射率分布计算示意图。平板超材料可由一片或多片折射率分布相同的超材料片层构成。图3中，仅示出一层超材料片层并将该一层超材料片层视为平板超材料。图3中，采用馈源11’代替高频头进行仿真计算。坐标系建立如下：以高频头的对称轴线与平板超材料的与高频头相对的外表面的交点为坐标原点，以垂直于平板超材料外表面的直线为x轴，所述x轴的方向朝向高频头所在的一侧，以高频头的对称轴线和x轴所在平面与所述平板超材料外表面的交线为y轴，y轴的方向远离所述高频头。

图3中，以平板超材料外表面为y轴，垂直于平板超材料外表面的直线为x轴，馈源对称轴与x轴的夹角为θ且馈源对称轴线与超材料外表面的交点记为计算过程中的坐标原点O(0,0)。馈源的低高点A(x₀,y₀)与平板超材料12的上边沿的y坐标值相等。另外，由于在同一个地区范围内，同一颗卫星的方位角和仰角均固定，则该卫星与平板超材料平面的法线方向的夹角也固定，记某一卫星的方位角为α，仰角为β，则可得出该卫星与超材料平面的法线方向的夹角γ为cos^-1(cosα*cosβ)。反射板13紧贴于超材料12的后表面放置，用于反射馈源辐射的电磁波。

记坐标原点O与平板超材料12上边沿的距离为h，馈源11’的口径面的直径为d，则馈源口径面中心点B(x₁,y₁)的y坐标y₁为：y₁＝-h-(d*cosθ)/2，x坐标x₁为:x₁＝(h+d/2*cosθ)/tanθ。在实际计算过程中，将喇叭状的馈源等效为一虚拟点源C(x₂,y₂)，虚拟点源C位于馈源对称轴上，且其与馈源口径面中心点B的距离为d_s，则虚拟点源C的坐标值为：x₂＝x₁+d_s*cosθ，y₂＝y₁-d_s*sinθ。

记平板超材料12的全长为H，且在平板超材料12的纵剖面上，其折射率分布仅随着y值变化而变化，其折射率在x方向无变化。超材料纵剖面上，以馈源对称轴线与超材料前表面的交点为坐标原点，超材料片层的折射率分布n(y)可通过如下公式得出：

$n\left(y\right)=n_{\max }-\frac{(n_{\max }-n_{\min })*[d_1+d_2-\mathrm{ss}-\mathrm{\λ}*\mathrm{floor}\left(\frac{d_1+d_2-\mathrm{ss}}{\mathrm{\λ}}\right)]}{\mathrm{\λ}};$

上式中， $d_1=\sqrt{x_2^2+{(y+y_2)}^2};$

d₂＝H-h-y*sinγ

ss＝H-h-y₂*sinγ+x₂*cosγ

$x_2=\frac{h+\frac{d}{2}*\cos \mathrm{\θ}}{\tan \mathrm{\θ}}+d_s*\cos \mathrm{\θ};$

$y_2=y_1-d_s*\sin \mathrm{\θ}=-h-\frac{d}{2}*\cos \mathrm{\θ}+d_s*\sin \mathrm{\θ}$

其中，floor函数表示向下取整函数，θ为馈源或高频头对称轴与x轴夹角，γ为卫星与平板超材料平面的法线方向的夹角，h为坐标原点距平板超材料上边沿的距离，H为平板超材料在y轴方向上的总长度，d为馈源或高频头口径面的直径，d_s为馈源或高频头等效虚拟点源与馈源或高频头口径面中心点的距离，λ为卫星辐射的电磁波波长，在仿真计算时即为馈源辐射的电磁波波长，n_max为超材料片层所具有的最大折射率值，n_min为超材料片层所具有的最小折射率值。

在实际测试和安装过程中，馈源或高频头对称轴与x轴夹角θ、坐标原点距平板超材料上边沿距离h等参数为可调参数，通过调节该些参数以达到最优效果。

获得超材料片层的纵剖面的折射率分布n(y)后，以直线y＝y₂为轴线将纵剖面折射率分布旋转，即可得到超材料片层整体的折射率分布。如图4、图5所示，图4为超材料片层纵剖面折射率分布示意图，图5为超材料片层正面折射率分布示意图。由图4、图5可知，超材料片层上，按照折射率分布可划分为多个带状区域(图中分别用H1，H2，H3，H4，H5表示)，以等效虚拟点源C点在平板超材料所处平面的垂直投影点为圆心，所述多个带状区域上相同半径r处的折射率相同，且每一带状区域上随着半径r的增大折射率逐渐减小，相邻两个带状区域，靠近圆心的带状区域的折射率的最小值小于远离圆心的带状区域的折射率的最大值。优选地，每一带状区域上随着半径的增大，折射率值均从平板超材料所具有的最大折射率值n_max逐渐减小至最小折射率值n_min。可以想象地，当平板超材料长度不能完美截取带状区域的整个折射率分布时，最靠近虚拟点源的平板超材料的带状区域的最大折射率可不为超材料片层的最大折射率值n_max，最远离虚拟点源的平板超材料的带状区域的最小折射率可不为超材料片层的最小折射率值n_min。

确定超材料片层的折射率分布后，需要在超材料片层上虚拟划分出来的超材料基本单元上周期排布人造微结构，以改变超材料片层每点的折射率值，从而使得平板超材料获得上述折射率分布。人造微结构的拓扑形状和尺寸会影响其附着的超材料基本单元的折射率值，在此步骤中，可采用大型计算方式从数据库中选取合适的人造微结构的拓扑形状和尺寸。选取的人造微结构一方面需要满足各点折射率分布值的要求也需要满足超材料片层的最大折射率值和最小折射率值的要求。如图6所示，其为本发明一实施例中的人造微结构的拓扑图案。该人造微结构拓扑结构为呈各向同性的平面雪花型。各向同性是指沿人造金属微结构中心点将人造金属微结构在人造金属微结构所在平面上，按任意方向旋转90°后得到的新图案都与原图案重合。采用各向同性的人造金属微结构能简化设计，其对垂直人造金属微结构所在平面入射的各个方向的电磁波均具有相同的电磁响应，具有很好的一致性。

平面雪花型的人造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7是图6所示的平面雪花状的人造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的两端均垂直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人造金属微结构。

图8是图6所示的平面雪花状的人造金属微结构的一种变形结构，此种结构的人造金属微结构，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6所示的人造金属微结构绕第一金属线与第二金属线的交点在所述平面雪花状的人造金属微结构所在平面上向任意方向旋转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。

得到人造金属微结构的具体拓扑图案后，可通过将人造金属微结构按照比例缩小、放大的方式获得整个超材料片层的折射率分布，也可通过以具体的一个人造金属微结构图案为基本图形，以通过演变获得基本图形的方式来获得整个超材料片层的折射率分布。下面详细介绍以平面雪花型为基本图形，通过演变方式获得超材料片层折射率分布的具体步骤：

(1)确定人造金属微结构的附着基材。当超材料基本单元还包括覆盖层时，覆盖层的材质与基材材质相同。基材材质可选取FR-4、F4B或PS材料，无论选取何种材料，均可确定基材的折射率值。本发明中，单层超材料片层由0.254毫米厚度的PS材料制成的覆盖层、0.038毫米厚度的微结构以及0.254毫米厚度的PS材料制成的基材构成，单层超材料片层厚度为0.546毫米。

(2)确定超材料单元的尺寸。超材料单元的尺寸由卫星的中心频率得到，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作为超材料单元D的长度CD与宽度KD。本发明中，卫星天线的工作频率为11.7-12.2GHZ，设计时采用11.95GHZ的中心频率。所述超材料单元D的长度CD和宽度KD均为2.8毫米。

(3)确定人造金属微结构的材料及拓扑结构。本实施例中，人造金属微结构的材料为铜，人造金属微结构的拓扑结构为图6所示的平面雪花状的人造金属微结构，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图形。

(4)确定人造金属微结构的拓扑形状参数。如图6所示，本发明中，平面雪花状的人造金属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)确定人造金属微结构的拓扑形状的演变限制条件。本发明中，人造金属微结构的拓扑形状的演变限制条件有，人造金属微结构之间的最小间距WL(即如图6所示，人造金属微结构与超材料单元的长边或宽边的距离为WL/2)，人造金属微结构的线宽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。本实施例中，WL取0.1mm，W取0.3mm，超材料单元的尺寸为长与宽为2.8mm，此时人造金属微结构的拓扑形状参数只有a和b两个变量。人造金属微结构的拓扑形状的通过如图9至图10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，所述人造金属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图形为图6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，此演变过程中的人造金属微结构均为“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)，即2.8-0.1mm，则a的最大值为2.7mm。因此，在第一阶段中，人造金属微结构的拓扑形状的演变如图9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，在最大的“十”字形拓扑形状JD1中，第一金属线J1与第二金属线J2长度均为2.7mm，宽度W均为0.3mm。在第一阶段中，随着人造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)，当频率为11.95GHZ时，超材料单元对应的折射率的最小值n_min为1.48。

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，此演变过程中的人造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)，即2.8-0.1-2*0.3mm，则b的最大值为2.1mm。因此，在第二阶段中，人造金属微结构的拓扑形状的演变如图10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，b的最大值为2.1mm。此时，第一金属线与第二金属线长度均为2.7mm，宽度均为0.3mm，第一金属分支及第二金属分支的长度均为2.1mm，宽度为0.3mm。在第二阶段中，随着人造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)，当频率为11.95GHZ时，超材料单元对应的折射率的最大值n_max为5.69，本发明在设计时仅取5.07的最大折射率。

在上述第一阶段和第二阶段的演变过程中，均需要保证演变过程中的微结构的拓扑图案为各向同性的拓扑图案。

通过上述演变得到超材料单元的折射率变化范围(1.48-5.69)满足设计需要。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。

通过上述设计获得超材料片层的折射率分布，实现折射率分布的人造微结构的拓扑结构和尺寸后，为了减小入射到超材料片层上的电磁波因为折射率突变引发的反射损失，还可以在超材料片层表面设置多层阻抗匹配层。阻抗匹配层也可采用上述设计超材料片层的方法设计，不同点在于，各层阻抗匹配层的折射率渐变。各层阻抗匹配层的折射率渐变至超材料片层的折射率分布的方式可为线性分布渐变方式、幂值分布渐变方式、二项式分布渐变方式或切比雪夫渐变方式等。

下面确定本发明超材料卫星天线的参数，并测试在该些参数下，超材料卫星天线的性能。本实施例中，平板超材料采用带阻抗匹配层的超材料，由2层超材料片层以及2层阻抗匹配层构成，平板超材料正面尺寸为550mmX550mm，厚度为0.546X4＝2.184mm。由该尺寸也可看出，本发明超材料卫星天线的体积小、易于携带、易于安装。馈源对称轴与x轴所成夹角θ取值32°，卫星与平板超材料平面的法线方向夹角γ为35°。坐标原点O距平板超材料上边沿距离h为247.2毫米，馈源口径面直径d为47.2毫米，虚拟点源与馈源口径面中心点距离d_s为1毫米，平板超材料折射率最小值n_min为1.48，平板超材料折射率最大值n_max为5.07。外层阻抗匹配层紧贴太阳能吸热板底面，外层阻抗匹配层与内层阻抗匹配层的折射率分布采用如下公式确定：

外层阻抗匹配层纵剖面的折射率分布

n₁(y)＝n_min+((2.545-n_min)*(n(y)-n_min)/(n_max-n_min))；内层阻抗匹配层纵剖面的折射率分布n₂(y)＝n_min+((3.94-n_min)*(n(y)-n_min)/(n_max-n_min))。

利用上述参数得到的仿真结果如图11、图12所示。图11为利用馈源辐射电磁波后的波形图，图中条纹表示传播的电磁波，从图11可以看出，馈源辐射的球面波被平板超材料响应和反射后以平面波形式辐射出去。图12为远场dB值测试结果图。图12中，横坐标角度值表示偏离平板超材料平面法线法向的角度，从图12中可知，在偏离平板超材料平面法线方向约35°，具有最大的远场值，而仿真中，卫星与平板超材料平面的法线方向夹角γ也为35°，因此可反推出，当采用高频头接收此卫星发射的信号时，也具有最佳的性能。

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 (10)

1.一种集合有超材料卫星天线的太阳能热水器，其特征在于：包括具有太阳能吸热板的太阳能热水器，用于接收卫星信号的超材料卫星天线系统；所述超材料卫星天线系统包括高频头、紧贴于所述太阳能吸热板底面设置的平板超材料以及位于所述平板超材料背部的反射板，所述平板超材料包括至少一层超材料片层，每层超材料片层包括基材以及周期排布于基材上的人造微结构，所述超材料片层上按照折射率分布划分为多个带状区域，以高频头等效虚拟点源在所述超材料片层平面的垂直投影点为圆心，所述多个带状区域上相同半径处的折射率相同，每一带状区域上随着半径的增大折射率逐渐减小，相邻两个带状区域，靠近圆心侧的带状区域的折射率最小值小于远离圆心侧的带状区域的折射率最大值；所述每一带状区域上，随着半径的增大，折射率值均从所述超材料片层所具有的最大折射率值逐渐减小为所述超材料片层所具有的最小折射率值；

以所述高频头的对称轴线与所述平板超材料的与所述高频头相对的外表面的交点为坐标原点，以垂直于所述平板超材料外表面的直线为x轴，所述x轴的方向朝向所述高频头所在的一侧，以所述高频头的对称轴线和所述x轴所在平面与所述平板超材料外表面的交线为y轴，所述y轴的方向远离所述高频头，所述高频头的最低点与所述平板超材料的上边沿的y坐标值相等，所述超材料片层纵剖面的折射率值随着坐标y值变化，其折射率分布n(y)满足如下公式：

$n\left(y\right)=n_{\max }-\frac{(n_{\max }-n_{\min })*[d_1+d_2-\mathrm{ss}-\mathrm{\λ}*\mathrm{floor}\left(\frac{d_1+d_2-\mathrm{ss}}{\mathrm{\λ}}\right)]}{\mathrm{\λ}}$

$d_1=\sqrt{x_2^2+{\left(y{-y}_2\right)}^2};$

d₂＝(H-h-y)*sinγ；

ss＝(H-h-y₂)*sinγ+x₂*cosγ；

$x_2=\frac{h+\frac{d}{2}*\cos \mathrm{\θ}}{\tan \mathrm{\θ}}+d_s*\cos \mathrm{\θ};$

$y_2=-h-\frac{d}{2}*\cos \mathrm{\θ}+d_s*\sin \mathrm{\θ}$

其中，floor函数表示向下取整函数，θ为所述高频头对称轴与x轴夹角，γ为卫星与所述平板超材料平面的法线方向的夹角，h为坐标原点距平板超材料上边沿的距离，H为平板超材料在y轴方向上的总长度，d为高频头口径面的直径，d_s为高频头等效虚拟点源与高频头口径面中心点的距离，λ为卫星辐射的电磁波波长，n_max为超材料片层所具有的最大折射率值，n_min为超材料片层所具有的最小折射率值。

2.如权利要求1所述的太阳能热水器，其特征在于：所述超材料片层还包括覆盖层，所述覆盖层材质与所述基材材质相同，均由FR-4、F4B或PS材料制成。

3.如权利要求1所述的太阳能热水器，其特征在于：所述平板超材料还包括外层阻抗匹配层以及内层阻抗匹配层，所述外层阻抗匹配层紧贴所述太阳能吸热板底面，所述外层阻抗匹配层纵剖面的折射率分布n₁(y)与所述超材料片层的折射率分布n(y)的对应关系为：

n₁(y)＝n_min+((2.545-n_min)*(n(y)-n_min)/(n_max-n_min))；

所述内层阻抗匹配层纵剖面的折射率分布n₂(y)与所述超材料片层的折射率分布n(y)的对应关系为：

n₂(y)＝n_min+((3.94-n_min)*(n(y)-n_min)/(n_max-n_min))。

4.如权利要求3所述的太阳能热水器，其特征在于：所述平板超材料包括两层超材料片层，每层超材料片层、外层阻抗匹配层以及内层阻抗匹配层厚度相同，均由0.254毫米厚度的覆盖层、0.038毫米厚度的微结构以及0.254毫米厚度的基材构成。

5.如权利要求1所述的太阳能热水器，其特征在于：所述人造微结构为人造金属微结构，所述人造金属微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着于所述基材上。

6.如权利要求5所述的太阳能热水器，其特征在于：所述人造金属微结构拓扑图案呈各向同性，各向同性是指沿所述人造金属微结构中心点将所述人造金属微结构在所述人造金属微结构所在平面上，按任意方向旋转90°后得到的新图案都与原图案重合。

7.如权利要求6所述的太阳能热水器，其特征在于：所述人造金属微结构呈平面雪花状，所述人造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，所述两个第一金属分支均与所述第一金属线垂直，所述两个第二金属分支均与所述第二金属线垂直。

8.如权利要求7所述的太阳能热水器，其特征在于：所述平面雪花状的人造金属微结构的每个第一金属分支及每个第二金属分支的两端还垂直连接有完全相同的第三金属分支，相应的第三金属分支的中点分别与第一金属分支及第二金属分支的端点相连。

9.如权利要求7所述的太阳能热水器，其特征在于：所述平面雪花状的人造金属微结构的第一金属线与第二金属线均设置有两个弯折部，所述平面雪花状的人造金属微结构绕第一金属线与第二金属线的交点在所述平面雪花状的人造金属微结构所在平面上向任意方向旋转90度的图形都与原图重合。

10.如权利要求4所述的太阳能热水器，其特征在于：所述高频头对称轴与x轴所成夹角θ为32°，卫星与所述平板超材料平面的法线方向夹角γ为35°，坐标原点距平板超材料上边沿距离h为247.2毫米，高频头口径面直径d为47.2毫米，虚拟点源与高频头口径面中心点距离d_s为1毫米，平板超材料折射率最小值为1.48，平板超材料折射率最大值为5.07。