CN102723579A - 一种超材料卫星天线及卫星接收系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超材料卫星天线，所述超材料卫星天线包括馈源以及固定在墙壁上的超材料平板，所述超材料平板包括核心层及设置在核心层后表面的反射板，所述核心层包括基板及附着在基板前表面的多个金属微结构，所述基板后表面附着有所述反射板；所述金属微结构为金属点状，按所述核心层预设的折射率分布，每一区域的折射率与所述该区域的金属点的折射率相匹配。还涉及卫星接收系统。按核心层预设的折射率分布，选取与每一区域折射率相匹配的金属材料，可以使超材料的金属微结构的尺寸缩小到点状，降低了该金属微结构的损耗（金属点比金属微结构尺寸小），同时也降低了金属材料的使用量。

Description

一种超材料卫星天线及卫星接收系统

【技术领域】

本发明涉及通信领域，更具体地说，涉及一种超材料卫星天线及卫星接收系统。

【背景技术】

超材料是近十年来发展起来的对电磁波起调制作用的材料。超材料一般是由一定数量的金属微结构附在具有一定力学、电磁学的基板上，这些具有特定图案和材质的微结构会对经过其身的特定频段的电磁波产生调制作用。

现有的卫星天线，例如卫星电视接收天线，通常采用传统的反射面天线通常为抛物面天线，抛物面天线负责将接收到的信号反射到位于焦点处的信号接收器内。

接收从卫星上传来的电磁波信号时，平行的电磁波（由于卫星与地球的距离相当远，其发出的电磁波在到达地面时可认为是平面波）通过抛物面天线反射后，汇聚到信号接收器上。

基于超材料卫星天线的制作思路是使用单一的一种金属材料，如铜、银，在模拟仿真设计中，在基板上不同区域使用不同大小、不同形状的金属微结构控制电磁波的折射角度以达到所需要的调制效果。其中，金属微结构的尺寸越大，其反射角度越大，则此次折射损耗越大。当使用的基板损耗为10-3级别时，此超材料卫星天线对电磁波的损耗主要来自于金属微结构。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是：提供一种降低损耗的超材料卫星天线及卫星接收系统，同时也降低了金属材料的使用量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种超材料卫星天线，所述超材料卫星天线包括馈源以及固定在墙壁上的超材料平板，所述超材料平板包括核心层及设置在核心层后表面的反射板，所述核心层包括基板及附着在基板前表面的多个金属微结构，所述基板后表面附着有所述反射板；所述金属微结构为金属点状，按所述核心层预设的折射率分布，每一区域的折射率与所述该区域的金属点的折射率相匹配。

所述金属点的直径为0.1~2mm。

所述金属点通过丝网印刷技术附着在所述基板上。

所述金属点所采用的材料为纯金属、合金、金属间化合物或掺杂的金属。

所述基板为有机树脂基板。

一种卫星接收系统，包括卫星天线、连接信号接收器的卫星接收机，其特征在于，所述卫星天线为上述超材料卫星天线。

本发明的有益效果为：按核心层预设的折射率分布，选取与每一区域折射率相匹配的金属材料，可以使超材料的金属微结构的尺寸缩小到点状，降低了该金属微结构的损耗（金属点比金属微结构尺寸小），同时也降低了金属材料的使用量。

【附图说明】

图1是本发明的超材料卫星天线的结构示意图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，根据本发明的超材料卫星天线包括设置在馈源后方的超材料平板100，超材料平板100包括核心层10及设置在核心层后表面的反射板200，核心层10包括有机树脂基板及附着在有机树脂基板前表面的多个金属微结构，有机树脂基板后表面附着有反射板；本发明的关键点在于：按核心层预设的折射率分布，选取与每一区域折射率相匹配的金属材料，使超材料的金属微结构的尺寸缩小成金属点状，金属点的直径为0.1~2mm，降低了该金属微结构的损耗（金属点比金属微结构尺寸小），同时也降低了金属材料的使用量，每一区域的折射率与该区域的金属点的折射率相匹配。

金属点所采用的材料为纯金属、合金、金属间化合物或掺杂的金属（如银、金、铜、铝、铬、铂、铱、钯、铍、锂、钠、KAu、LiAg或氧化铟锡等），通过丝网印刷技术附着在有机树脂基板上。

馈源为传统的波纹喇叭，这个根据卫星的电视信号的极化方式不同有不同的选择，例如中星9号，其电视信号既有左旋圆极化又有右旋圆极化，因此馈源应当采用双圆极化的波纹喇叭。超材料平板100任一纵截面具有相同的形状与面积，此处的纵截面是指超材料平板中与超材料平板的中轴线垂直的剖面。超材料平板的纵截面为方形、圆形或椭圆形，优选地，超材料平板的纵截面为方形，这样得到的超材料平板容易加工，例如300X300mm或450X450mm的正方形，450X475mm的长方形。圆形可以是直径为250、300或450mm的圆形。

核心层的折射率分布满足如下公式：

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

v_segment=ss+λ*num_segment  （2）；

${\mathrm{num}}_{\mathrm{segment}}=\mathrm{floor}\left(\frac{\mathrm{dis}-\mathrm{ss}}{\mathrm{\λ}}\right)---\left(3\right);$

$\stackrel{\‾}{D}=\frac{\mathrm{\λ}}{n_{\max }-n_{\min }}---\left(4\right);$

dis=d₁+d₂        （5）；

$d_1=\sqrt{x^2+{(y-y_{\mathrm{source}})}^2+z_{\mathrm{source}}^2}---\left(6\right);$

$d_2=\sin \mathrm{\γ}*(L/2-y)---\left(7\right);$

$\mathrm{ss}=\sin \mathrm{\γ}*(L/2-y_{\mathrm{virtual}})-\cos \mathrm{\γ}*z_{\mathrm{virtual}}---\left(8\right);$

以上公式是在超材料平板上建立坐标系，其中超材料平板中心点为坐标原点（0，0，0），卫星在所述竖直墙壁上的投影点、超材料平板的中心点以及馈源在所述竖直墙壁上的投影点三点共线，所述三点的共线为y轴，且朝卫星在所述竖直墙壁上的方向为正，垂直所述超材料平板为z轴，且朝墙壁面外为正；

其中，n(x，y，0)表示核心层上任意一点的折射率值；

L表示核心层被坐标面yoz所截的有效长度；

n_max表示核心层的折射率的最大值；

n_min表示核心层的折射率的最小值；

λ表示卫星电视天线接收的电磁波的波长；

γ表示从特定卫星发出的电磁波在超材料平板表面入射时与超材料平板法线所成的夹角；

floor表示向下取整；

(x_source，y_source，z_source)表示馈源等效点的坐标；

(x_virtual，y_virtual，z_virtual)表示馈源等效点相对于坐标面xoy的对称点的坐标。

核心层的折射率分布也可以满足如下公式：

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

v_segment=ss+λ*num_segment（2）；

${\mathrm{num}}_{\mathrm{segment}}=\mathrm{floor}\left(\frac{\mathrm{dis}-\mathrm{ss}}{\mathrm{\λ}}\right)---\left(3\right);$

$\stackrel{\‾}{D}=\frac{\mathrm{\λ}}{n_{\max }-n_{\min }}---\left(4\right);$

dis=d₁+d₂        （5）；

$d_1=\sqrt{{(x-x_{\mathrm{source}})}^2+{(y-y_{\mathrm{source}})}^2+z_0^2}---\left(6\right);$

d₂=cosα*(L-y)    （7）；

ss=cosα*(L-y_source)-sinα*z₀（8）；

以上公式是在超材料面板上建立坐标系，其中，超材料前表面的左下角记为坐标原点O(0,0)，所述超材料面板前表面为坐标面XOY；

n(x，y)表示核心层片层上任意一点的折射率值；

L表示核心层片层横坐标方向的长度；

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；

λ表示卫星电视天线接收的电磁波的波长；

floor表示向下取整；

(x_source，y_source)表示馈源等效点的坐标；

Z0表示馈源等效点到超材料面板表面的距离；

α表示卫星在当地的仰角。

由第一组公式（1）至公式（8）或者第二组公式（1）至公式（8）所确定的超材料平板，能够使得天线接收到的平面波经超材料平板后能够在馈源等效点处发生汇聚。

本发明的超材料卫星天线在作为发射天线使用时，即馈源作为辐射源，超材料平板的作用是将信号接收器发出的平面波经超材料平板后以平面波的形式出射。

本发明的超材料卫星天线在作为接收天线使用时，即馈源作为集波器，超材料平板的作用是能够使得天线接收到的平面波经超材料平板后能够在馈源等效点处发生汇聚。

以上描述的超材料卫星天线根据工作频段与使用环境的不同，可以是卫星电视接收天线、卫星通信天线（双向通信）、微波天线或者雷达天线。当然，本发明的所述超材料卫星天线还可以替代其它各种反射面天线。

另外，本发明还提供本发明还提供了一种卫星接收系统，包括卫星天线、信号接收器、连接信号接收器的卫星接收机（图中未标示），所述卫星天线为本发明上述的超材料卫星天线。本发明中，所述信号接收器为传统的波纹喇叭。卫星接收机例如可以采用同洲电子的N6188，用于接收中星9号的卫星电视信号，其为现有的技术，此处不再述说。

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 (6)

1.一种超材料卫星天线，其特征在于，所述超材料卫星天线包括馈源以及固定在墙壁上的超材料平板，所述超材料平板包括核心层及设置在核心层后表面的反射板，所述核心层包括基板及附着在基板前表面的多个金属微结构，所述基板后表面附着有所述反射板；所述金属微结构为金属点状，按所述核心层预设的折射率分布，每一区域的折射率与所述该区域的金属点的折射率相匹配。

2.根据权利要求1所述的超材料卫星天线，其特征在于，所述金属点的直径为0.1~2mm。

3.根据权利要求1所述的超材料卫星天线，其特征在于，所述金属点通过丝网印刷技术附着在所述基板上。

4.根据权利要求1或2或3所述的超材料卫星天线，其特征在于，所述金属点所采用的材料为纯金属、合金、金属间化合物或掺杂的金属。

5.根据权利要求1所述的超材料卫星天线，其特征在于，所述基板为有机树脂基板。

6.一种卫星接收系统，包括卫星天线、连接信号接收器的卫星接收机，其特征在于，所述卫星天线为权利要求1至5任意一项所述的超材料卫星天线。

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