CN102723609A - 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，所述超材料卫星天线包括信号收发器以及固定在竖直墙壁上的超材料平板，所述超材料平板包括单层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，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，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固定在竖直墙壁上的超材料平板，所述超材料平板包括单层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；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：

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

v_segment=ss+λ*num_segment；

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

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

dis=d₁+d₂；

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

d₂=sinγ*(L/2-y)；

ss=sinγ*(L/2-y_virtual)-cosγ*z_virtual；

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信号收发器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)表示信号收发器等效点的坐标；

(x_virtual，y_virtual，z_virtual)表示信号收发器等效点相对于坐标面xoy的对称点的坐标。

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接收器；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、连接信号收发器的卫星接收机，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。

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，因此信号收发器应当采用双圆极化的波纹喇叭。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，所述单层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）；

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

d₂=sinγ*(L/2-y)  （7）；

ss=sinγ*(L/2-y_virtual)-cosγ*z_virtual  （8）；

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信号收发器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)表示信号收发器等效点的坐标；

(x_virtual，y_virtual，z_virtual)表示信号收发器等效点相对于坐标面xoy的对称点的坐标。

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（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信号收发器等效点处发生汇聚。

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经超材料平板后能够在信号收发器等效点处发生汇聚。

本发明中，所述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。优选地，所述人造微结构为图4所示的人造金属微结构，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2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可以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、信号接收器、连接信号接收器的卫星接收机，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 (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固定在竖直墙壁上的超材料平板，所述超材料平板包括单层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；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：

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

v_segment=ss+λ*num_segment；

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

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

dis=d₁+d₂；

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

d₂=sinγ*(L/2-y)；

ss=sinγ*(L/2-y_virtual)-cosγ*z_virtual

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信号收发器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)表示信号收发器等效点的坐标；

(x_virtual，y_virtual，z_virtual)表示信号收发器等效点相对于坐标面xoy的对称点的坐标。

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，基板的厚度均为1.018mm，多个人造微结构的厚度为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。

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