CN102800988B - 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，所述反射板附着在所述基板的后表面，至少一层碳纤维覆在所述反射板上。在反射板上覆上至少一层碳纤维，这种超材料卫星天线能在不改变基板损耗和介电常数的基础上提高了该超材料卫星天线的强度，同时碳纤维具有较高的导电性能，本身也可以作为超材料卫星天线的电磁波反射层。还涉及一种卫星接收系统。

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】

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板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。

目前为了提高超材料卫星天线在高频波段的性能，经常选用一些无增强材料填充的低介电常数、低损耗的基板，如PS基板，这些基板虽性能较好，但强度一般很差，无法满足野外作业用超材料要求。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是：提供一种在反射板上覆上至少一层碳纤维的超材料卫星天线及天线系统，该超材料卫星天线在不改变基板损耗和介电常数的基础上提高了该超材料卫星天线的强度。

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，所述反射板附着在所述基板的后表面，至少一层碳纤维覆在所述反射板上。

所述碳纤维通过热熔胶覆在所述反射板上。

所述碳纤维为碳纤维织布、碳纤维无纺布或单纤维。

所述基板的材质为热塑性树脂或热固性树脂。

所述热塑性树脂包括聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或特氟龙。

所述热固性树脂包括环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂、有机硅树脂或聚酰亚胺树脂。

所述超材料卫星天线还包括覆盖在金属微结构上的保护膜。

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。

所述金属微结构为由金属丝构成的具有一定几何形状的平面或者立体结构。

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，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：在反射板上覆上至少一层碳纤维，这种超材料卫星天线能在不改变基板损耗和介电常数的基础上提高了该超材料卫星天线的强度，同时碳纤维具有较高的导电性能，本身也可以作为超材料卫星天线的电磁波反射层。

【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包括基板及附着在基板前表面的多个金属微结构，基板后表面附着有反射板，至少一层碳纤维通过热熔胶覆在反射板上；本实施例中，热熔胶选用强度较高的聚酰胺、酰酯类的热熔胶，并且根据超材料卫星天线对强度的要求，碳纤维可选用碳纤维织布、碳纤维无纺布或单纤维等，也可以同时用这几种不同碳纤维的组合；还包括覆盖在金属微结构上的厚度为0.1-2mm的保护膜，保护膜为PS塑料、PET塑料或HIPS塑料等塑料；这种超材料卫星天线能在不改变基板损耗和介电常数的基础上提高了该超材料卫星天线的强度，同时碳纤维具有较高的导电性能，本身也可以作为超材料卫星天线的电磁波反射层；在反射板上覆碳纤维，工艺技术简单、成本低。

本实施例中基板的材质为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或特氟龙等热塑性树脂，或环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂、有机硅树脂或聚酰亚胺树脂等热固性树脂；

金属微结构为由金属丝构成的具有一定几何形状的平面或者立体结构，金属微结构可以通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在所述基板上。

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300×300mm或450×450mm的正方形，450×475mm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)；

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

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0(0，0)，所述超材料面板前表面为坐标面X0Y；

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板天线。

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 (10)

1.一种超材料卫星天线，所述超材料卫星天线包括馈源以及超材料平板，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，所述反射板附着在所述基板的后表面，其特征在于，至少一层碳纤维覆在所述反射板上；所述核心层的折射率分布满足第一组公式或第二组公式：

第一组公式包括：

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

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)

以上公式是在所述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)，卫星在所述超材料平板竖直墙壁上的投影点、所述超材料平板的中心点以及馈源在所述超材料平板竖直墙壁上的投影点三点共线，所述三点的共线为y轴，且朝所述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，且朝所述竖直墙壁面外为正；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表示所述超材料卫星天线接收的电磁波的波长；γ表示从所述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；

第二组公式包括：

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

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)

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

d₂＝cosα*(L-y)   (7)

ss＝cosα*(L-y_source)-sinα*z₀   (8)

以上公式是在所述超材料平板上建立坐标系，其中，所述超材料平板前表面的左下角记为坐标原点O(0,0)，所述超材料平板前表面为坐标面XOY；n(x，y)表示所述核心层上任意一点的折射率值；L表示所述核心层横坐标方向的长度；n_max表示所述核心层的折射率的最大值；n_min表示所述核心层的折射率的最小值；λ表示所述超材料卫星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表示馈源等效点到所述超材料平板表面的距离；α表示卫星在当地的仰角。

2.根据权利要求1所述的超材料卫星天线，其特征在于，所述碳纤维通过热熔胶覆在所述反射板上。

3.根据权利要求1所述的超材料卫星天线，其特征在于，所述碳纤维为碳纤维织布、碳纤维无纺布或单纤维。

4.根据权利要求1所述的超材料卫星天线，其特征在于，所述基板的材质为热塑性树脂或热固性树脂。

5.根据权利要求4所述的超材料卫星天线，其特征在于，所述热塑性树脂包括聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或特氟龙。

6.根据权利要求4所述的超材料卫星天线，其特征在于，所述热固性树脂包括环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂、有机硅树脂或聚酰亚胺树脂。

7.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金属微结构上的保护膜。

8.根据权利要求7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。

9.根据权利要求1所述的超材料卫星天线，其特征在于，所述金属微结构为由金属丝构成的具有一定几何形状的平面或者立体结构。

10.一种卫星接收系统，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9任意一项所述的超材料卫星天线。