CN102723587B - 一种超材料卫星天线及卫星接收系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超材料卫星天线，包括设置在信号收发器后方的超材料平板，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人造微结构，所述基板后表面附着有所述反射板，使得卫星发出的电磁波经过超材料平板响应后汇聚于信号收发器内，并且，由片状的超材料平板代替传统的抛物面天线，制造加工更加容易，成本更加低廉，另外依此设计的超材料平板整体厚度在毫米级别，相当的轻薄，本发明通过采用特殊的人造微结构，使得卫星天线具有频率选择的功能。本发明还提供了一种卫星接收系统。

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

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收发器内。

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，汇聚到信号收发器上，这种卫星天线对频率的选择有一定的局限性。

但是，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，且成本较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有的卫星天线加工不易、成本高的缺陷，提供一种加工简单、制造成本低且具有频率选择功能的超材料卫星天线。

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信号收发器以及超材料平板，所述超材料平板通过支架固定于墙壁上；所述超材料平板包括单层核心层以及设置在核心层一表面的反射板，所述核心层包括基板及附着在基板前表面的多个人造微结构，所述基板后表面附着所述反射板；所述每个人造微结构包括多条自一中心点向外螺旋延伸且互不相交的螺旋线；所述单层核心层的折射率分布满足如下公式：

$n\left(r\right)=n_{\max }-\frac{\sqrt{r^2+s^2}-\mathrm{Vseg}}{D};$

Vseg＝s+λ×NUMseg；

$\mathrm{NUMseg}=\mathrm{floor}\left\{\frac{\sqrt{r^2+s^2}-s}{\mathrm{\λ}}\right\};$

$D=\frac{\mathrm{\λ}}{n_{\max }-n_{\min }};$

其中，n(r)表示核心层上半径为r处的折射率值，核心层的折射率分布圆心即为信号收发器等效点在核心层所在平面的投影；

s为信号收发器等效点到核心层的垂直距离；

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表示频率为天线中心频率的电磁波的波长；

floor表示向下取整。

进一步地，所述每个人造微结构的各条螺旋线自所述中心点向外均为顺时针或逆时针螺旋。

进一步地，所述每个人造微结构包括多条螺旋折线。

进一步地，所述各条螺旋折线在弯折的位置处形成直角。

进一步地，所述螺旋线是金属线。

进一步地，所述超材料卫星天线还包括覆盖在人造微结构上的保护膜。

进一步地，所述保护膜为PS塑料、PET塑料或HIPS塑料，所述保护膜的厚度为0.1-2mm。

进一步地，所述核心层的厚度为0.11-2.5mm，其中，基板的厚度为0.1-2mm，多个人造微结构的厚度为0.01-0.5mm。

进一步地，所述核心层的厚度为1.036mm，其中，基板的厚度均为1.018mm，多个人造微结构的厚度为0.018mm。

根据本发明的超材料卫星天线，通过精确设计核心层的折射率分布，使得从卫星发射过来的电磁波经过平板状的超材料板响应后汇聚于信号收发器；另外，由片状的超材料平板代替传统的抛物面天线，制造加工更加容易，成本更加低廉，另外依此设计的超材料平板整体厚度在毫米级别，相当的轻薄，除此之外，本发明通过采用特殊的人造微结构，使得卫星天线具有频率选择的功能。

本发明还提供了一种卫星接收系统，包括卫星天线、卫星接收机，所述卫星天线为上述的超材料卫星天线。

附图说明

图1是本发明的超材料卫星天线的结构示意图；

图2是本发明的核心层的结构示意图；

图3是本发明的核心层其中一个超材料单元的示意图；

图4是本发明的人造微结构的示意图；

图5是本发明的又一人造微结构的示意图；

图6是本发明一种实施例的卫星接收系统的结构示意图；

图7是图6的另一视角图。

具体实施方式

如图1至图3所示，根据本发明的超材料卫星天线包括设置在信号收发器1后方的超材料平板100，所述超材料平板100包括核心层10及设置在核心层后表面的反射板200，所述核心层10包括基板13及附着在基板13前表面的多个人造微结构12，所述基板13后表面附着有所述反射板200，信号收发器1中轴线Z1与超材料平板100平面的中轴线Z2具有一定的夹角θ，即图1中的中轴线Z1与直线Z3的夹角（Z3为Z2的平行线），信号收发器1不在超材料平板平面的中轴线Z2上，实现天线的偏馈。本发明中，所述超材料平板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。所述超材料平板的纵截面为方形、圆形或椭圆形，优选地，所述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。

本发明中，所述核心层的折射率分布满足如下公式：

$n\left(r\right)=n_{\max }-\frac{\sqrt{r^2+s^2}-\mathrm{Vseg}}{D}---\left(1\right);$

Vseg＝s+λ*NUMseg（2）；

$\mathrm{NUMseg}=\mathrm{floor}\left\{\frac{\sqrt{r^2+s^2}-s}{\mathrm{\λ}}\right\}---\left(3\right);$

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

其中，n(r)表示核心层上半径为r处的折射率值；核心层的折射率分布圆心O1即为信号收发器1等效点X在该核心层片层外侧表面所在平面的投影，所述圆心O1与该核心层的下边沿相距sy（sy为正时，表示圆心O1在该核心层片层的外面；sy为负时，表示圆心O1在该核心层片层上），更为优选地，当核心层片层为方形时，圆心O1与该核心层片层的下边沿中点的连线垂直该核心层片层的下边沿；当核心层片层为圆形时，圆心O1与该核心层片层的下边沿顶点的连线在圆形的半径上；当核心层片层为椭圆形时，圆心O1与该核心层片层的下边沿顶点的椭圆形的长轴上。

s为信号收发器1等效点X到超材料平板的垂直距离；此处信号收发器1的等效点X实际上就是天线的馈点（电磁波在信号收发器1中发生聚焦的点）；信号收发器1中轴线Z1与超材料平板100的中轴线Z2的夹角θ发生变化时，s也会发生细微变化。

信号收发器1等效点X与超材料平板的相对位置由s、θ及sy共同确定，通常，信号收发器器1等效点X是选在信号收发器中轴线Z1上，信号收发器1等效点X的位置与信号收发器1的口径有关，例如可以是与信号收发器1口径中点Y相距ds的位置（ds即为图1中的X点到Y点的距离），作为一个实施例，所述ds等于5mm，实际上在设计中，ds与θ有关，随着θ的不同，信号收发器1等效点X位置也不同，即ds有所不同，但是，信号收发器1等效点仍然在信号收发器1中轴线Z1上。

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表示频率为天线中心频率的电磁波的波长；

D为核心层的等效厚度。

floor表示向下取整，例如，当大于等于0小于1时，NUMseg取0，当大于等于1小于2时，NUMseg取1，依此类推。

如图2所示，为了清楚的显示核心层中基板13与人造微结构12的关系，人造微结构12所在的层用剖面线表示，我们称之为人造微结构层120，人造微结构层120即由基板上附着的所有人造微结构构成。

由公式（1）至公式（4）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信号收发器等效点X处发生汇聚。当然，在接收卫星天线信号时，平板超材料的法线方向是朝向所要接收的卫星的，至于如何使得平板超材料的法线方向朝向所要接收信号的卫星，则涉及到传统的卫星天线调试的问题，即关于天线方位角与俯仰角的调节，其均为公知常识，此处不再赘述。

另外，本发明中，优选地，所述超材料卫星天线还包括覆盖在人造微结构12上的保护膜，保护膜完全遮盖人造微结构层120，这样可以对人造微结构进行保护，同时，还可以加强超材料平板的机械性能。本发明中，所述保护膜可以是PS塑料（聚苯乙烯系塑料）、PET塑料（聚对苯二甲酸类塑料）或HIPS塑料（耐冲击性聚苯乙烯）。

本发明中，所述保护膜的厚度为0.1-2mm，具体厚度结合透波性能以及机械性能决定，例如可以是1mm。

本发明中，优选地，所述核心层的厚度为0.11-2.5mm，其中，基板的厚度为0.1-2mm，多个人造微结构的厚度为0.01-0.5mm，即人造微结构层的厚度为0.01-0.5mm。作为一个具体的例子，所述核心层的厚度为1.036mm，其中，基板的厚度均为1.018mm，多个人造微结构的厚度为0.018mm。

本发明的超材料卫星天线在作为发射天线使用时，即信号收发器作为辐射源，超材料平板的作用是将信号收发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，即信号收发器作为集波器，超材料平板的作用是能够使得天线接收到的平面波（以图1中的方向入射）经超材料平板后能够在信号收发器等效点X处发生汇聚。

本发明中，所述每个人造微结构为由铜线或银线构成的金属微结构，所述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分别附着在所述基板上。所述每个人造微结构包括多条自一中心点向外螺旋延伸且互不相交的螺旋线，通过采用这种人造微结构，使得卫星天线具有频率选择的功能。

本发明中，核心层可以通过如下方法得到，即在基板任意一个的表面上覆铜，再通过蚀刻的方法得到多个金属微结构（多个金属微结构的形状与其在基板上的排布事先通过计算机仿真获得）。

将核心层、反射板压合一体即得到本发明的超材料平板。

本发明中，所述基板由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料等制得。高分子材料可选用的有F4B复合材料、FR-4复合材料、PS（聚苯乙烯）等。

请参考图4，为本发明的人造微结构的第一实施例。所述人造微结构包括多条完全相同的螺旋折线，本实施例中，优选四条完全相同的螺旋折线，这四条螺旋折线自同一中心点分别向外顺时针螺旋弯折延伸而成。每条螺旋折线绕所述中心点旋转360°/4=90°的角度后与相邻螺旋折线重合。图中所述人造微结构的各条螺旋折线在弯折的位置处形成直角，且各条螺旋折线自相应超材料单元的中心点分别向外顺时针螺旋弯折延伸、最外侧的一段直线分别与所述超材料单元的四侧面平行。当然，这些螺旋折线也可自同一中心点分别向外逆时针螺旋弯折延伸形成。

请参考图5，为本发明的人造微结构的第二实施例。所述人造微结构包括六条完全相同的螺旋曲线，这六条螺旋曲线自同一中心点分别向外顺时针螺旋弯曲延伸而成。每条螺旋曲线绕该中心点旋转360°/6=60°后与相邻螺旋曲线重合。同上，这些螺旋曲线也可自同一中心点分别向外逆时针螺旋弯曲延伸形成。

可见，凡是自同一中心点向外顺时针或逆时针螺旋且互不相交的一条以上螺旋线形成的人在微结构均是本发明的保护范围。

本发明中，所述核心层10可以划分为阵列排布的多个如图3所示的超材料单元D，每个超材料单元D包括基板单元U及附着在基板单元U上的人造微结构12，通常超材料单元D的长宽高均不大于五分之一波长，优选为十分之一波长，因此，根据天线的工作频率可以确定超材料单元D的尺寸。如图3所示，所述人造微结构附着在基板单元U的SR表面。

已知折射率其中μ为相对磁导率，ε为相对介电常数，μ与ε合称为电磁参数。实验证明，电磁波通过折射率非均匀的介质材料时，会向折射率大的方向偏折。在相对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，在基板选定的情况下，利用只对电场响应的人造微结构可以实现超材料单元折射率的任意值（在一定范围内），在该天线中心频率下，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所示的金属微结构）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，即可设计出我们需要的特定折射率分布的核心层10。

本发明中，核心层的结构设计可通过计算机仿真（CST仿真）得到，具体如下：

（1）确定金属微结构的附着基板。例如介电常数为2.7的介质基板，介质基板的材料可以是FR-4、F4b或PS。

（2）确定超材料单元的尺寸。超材料单元的尺寸的尺寸由天线的中心频率得到，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。例如，对应于11.95G的中心频率，所述超材料单元D可以为如图3所示的长CD与宽KD均为2.8mm、厚度HD为1.036mm的方形小板。

（3）确定金属微结构的材料及拓扑结构。本发明中，金属微结构的材料为铜，金属微结构的拓扑结构为图4所示的结构，其线宽各处一致。

在制备得到核心层后，本发明的反射板200采用常规的具有光滑表面的纯铝板或纯铜板等，也可以将金属涂层直接涂覆于核心层表面实现反射电磁波的效果。

另外，本发明还提供了一种卫星接收系统，包括卫星天线、信号收发器1、连接信号收发器1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，所述信号收发器1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。

图6和图7中的超材料板支架为本发明超材料板支架的一优选方式，其包括固定超材料平板100的框架3以及超材料平板仰角调节装置；所述反射板调节装置包括与边框3及信号收发器支杆2固定连接的连接座4、固定在连接座4上的铰接座5、与铰接座5可转动的连接的铰接头6以及与铰接头6可拆卸连接的调节杆7。

本实施例中，所述铰接头6置于铰接座5中，铰接头6与铰接座5通过贯穿铰接头与铰接座的第一螺杆LG1实现可转动的连接，第一螺杆LG1的两端设置有两个防脱螺母LM1，铰接座5的两侧对称设置有第一滑动槽HC1及第二滑动槽HC2，所述反射板调节装置还包括贯穿第一滑动槽HC1、铰接头6及第二滑动槽HC2的第二螺杆LG2，第二螺杆LG2的两端设置有两个锁紧螺母LM2。

本实施例中，所述调节杆7与铰接头6通过锁定装置可拆卸的连接，所述调节杆7为圆杆，所述锁定装置包括紧贴调节杆7外表面设置的圆弧形的锁紧板SJB及与锁紧板SJB相对设置的上锁紧凸缘STY及下锁紧凸缘XTY，所述上锁紧凸缘STY及下锁紧凸缘XTY的外边缘为圆弧状，所述上锁紧凸缘STY及下锁紧凸缘XTY的外侧均紧贴在调节杆7的外表面上，锁紧板SJB的两侧通过螺栓LS3与铰接头6螺纹连接，所述上锁紧凸缘STY及下锁紧凸缘XTY与调节杆7接触的部位设置开设能均匀分布的防滑齿（图中未示出）。

本实施例中，所述天线安装座还包括连接在调节杆7另一端的接墙板QB，所述接强板QB可以固定到房屋的墙面上（如南面墙壁），例如通过普通螺钉或自攻螺钉固定到墙面上。

本实施例中，所述框架3包括上边框31、中边框32及下边框33，所述上边框31、中边框32及下边框33分别通过螺栓LS4固定在超材料平板100的背面，所述上边框31、中边框32及下边框33分别通过上固定架SJ、连接座4及下固定架XJ固定在馈源支杆2上。

本实施例中，所述铰接座5的一个侧面上还设置有角度刻度盘KD，以便于反射板仰角的调节读数，即仰角可以直接从刻度上读出来，方便天线的安装调试。

超材料平板100的方位角调节具体如下：

首先，拧松螺栓LS3，则铰接头6解除了锁定，可以相对调节杆7自由的活动（调节杆7是固定在墙面上的）；转动到合适位置，即天线的方位角也调试完毕，再次拧紧螺栓LS3，则反射板将朝向所选的通信卫星，完成方位角的调节。

方位角调整好后，就可以调节仰角。

超材料平板100的仰角调节具体如下：

首先，向外锁紧螺母LM2（即解除反射板的角度锁定）；

转动超材料平板100（顺时针或逆时针），此时超材料平板100会绕第一螺杆LG1转动，待到适当位置，再次向内旋转锁紧螺母LM2（即锁定反射板的角度），此处的适当位置是指，反射板的仰角刚好等于所要通信的卫星在该地理位置的仰角（此角度可以在角度刻度盘KD上直接读出），即达到了反射板的仰角调节，即实现了天线的仰角调节。

天线方位角与仰角的调节为本领域常用的天线调试方法，本发明不再详述。

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)

1.一种超材料卫星天线，其特征在于，所述超材料卫星天线包括信号收发器以及超材料平板，所述超材料平板通过支架固定于墙壁上；所述超材料平板包括单层核心层以及设置在核心层一表面的反射板，所述核心层包括基板及附着在基板前表面的多个人造微结构，所述基板后表面附着所述反射板；所述每个人造微结构包括多条自一中心点向外螺旋延伸且互不相交的螺旋线；所述单层核心层的折射率分布满足如下公式：

$n\left(r\right)=n_{\max }-\frac{\sqrt{r^2+s^2}-\mathrm{Vseg}}{D};$

Vseg＝s+λ×NUMseg；

$\mathrm{NUMseg}=\mathrm{floor}\left\{\frac{\sqrt{r^2+s^2}-s}{\mathrm{\λ}}\right\};$

$D=\frac{\mathrm{\λ}}{n_{\max }-n_{\min }};$

其中，n(r)表示核心层上半径为r处的折射率值，核心层的折射率分布圆心即为信号收发器等效点在核心层所在平面的投影，所述等效点为电磁波在信号收发器中发生聚焦的点；

s为信号收发器等效点到核心层的垂直距离；

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表示频率为天线中心频率的电磁波的波长；

floor表示向下取整。

2.根据权利要求1所述的超材料卫星天线，其特征在于，所述每个人造微结构的各条螺旋线自所述中心点向外均为顺时针或逆时针螺旋。

3.根据权利要求1所述的超材料卫星天线，其特征在于，所述每个人造微结构包括多条螺旋折线。

4.根据权利要求3所述的超材料卫星天线，其特征在于，所述各条螺旋折线在弯折的位置处形成直角。

5.根据权利要求1所述的超材料卫星天线，其特征在于，所述螺旋线是金属线。

6.根据权利要求1所述的超材料卫星天线，其特征在于，所述超材料卫星天线还包括覆盖在人造微结构上的保护膜。

7.根据权利要求6所述的超材料卫星天线，其特征在于，所述保护膜为PS塑料、PET塑料或HIPS塑料，所述保护膜的厚度为0.1-2mm。

8.根据权利要求1所述的超材料卫星天线，其特征在于，所述核心层的厚度为0.11-2.5mm，其中，基板的厚度为0.1-2mm，多个人造微结构的厚度为0.01-0.5mm。

9.根据权利要求8所述的超材料卫星天线，其特征在于，所述核心层的厚度为1.036mm，其中，基板的厚度为1.018mm，多个人造微结构的厚度均为0.018mm。

10.一种卫星接收系统，包括卫星天线、卫星接收机，其特征在于，所述卫星天线为权利要求1至9任意一项所述的超材料卫星天线。