CN102904039B

CN102904039B - 一种偏馈式卫星电视天线及其卫星电视接收系统

Info

Publication number: CN102904039B
Application number: CN201110210346.0A
Authority: CN
Inventors: 刘若鹏; 季春霖; 岳玉涛; 王今金; 洪运南
Original assignee: Kuang Chi Institute of Advanced Technology; Kuang Chi Innovative Technology Ltd
Current assignee: Kuang Chi Innovative Technology Ltd
Priority date: 2011-07-26
Filing date: 2011-07-26
Publication date: 2015-04-22
Anticipated expiration: 2031-07-26
Also published as: CN102904039A

Abstract

本发明公开了一种偏馈式卫星电视天线，包括设置在馈源后方的超材料面板，超材料面板包括核心层及反射板，核心层包括至少一个核心层片层，核心层片层包括片状的基材以及设置在基材上的多个人造孔结构，核心层片层按照折射率分布可划分为多个带状区域，以一定点为圆心，多个带状区域上相同半径处的折射率相同，且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，处于内侧的带状区域的折射率的最小值小于处于外侧的带状区域的折射率的最大值。根据本发明的偏馈式卫星电视天线，由片状的超材料面板代替了传统的抛物面天线，制造加工更加容易，成本更加低廉。另外，本发明还提供了一种具有上述偏馈式卫星电视天线的卫星电视接收系统。

Description

一种偏馈式卫星电视天线及其卫星电视接收系统

技术领域

本发明涉及通信领域，更具体地说，涉及一种偏馈式卫星电视天线及其卫星电视接收系统。

背景技术

传统的卫星电视接收系统是由抛物面天线、馈源、高频头、卫星接收机组成的卫星地面接收站。抛物面天线负责将卫星信号反射到位于焦点处的馈源和高频头内。馈源是在抛物面天线的焦点处设置的一个用于收集卫星信号的喇叭，又称波纹喇叭。其主要功能有两个：一是将天线接收的电磁波信号收集起来，变换成信号电压，供给高频头。二是对接收的电磁波进行极化转换。高频头LNB(亦称降频器)是将馈源送来的卫星信号进行降频和信号放大然后传送至卫星接收机。一般可分为C波段频率LNB(3.7GHz-4.2GHz、18-21V)和Ku波段频率LNB(10.7GHz-12.75GHz、12-14V)。LNB的工作流程就是先将卫星高频讯号放大至数十万倍后再利用本地振荡电路将高频讯号转换至中频950MHz-2050MHz，以利于同轴电缆的传输及卫星接收机的解调和工作。卫星接收机是将高频头输送来的卫星信号进行解调，解调出卫星电视图像或数字信号和伴音信号。

接收卫星信号时，平行的电磁波通过抛物面天线反射后，汇聚到馈源上。通常，抛物面天线对应的馈源是一个喇叭天线。

但是由于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，针对现有的卫星电视天线加工不易、成本高的缺陷，提供一种加工简单、制造成本低的偏馈式卫星电视天线。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种偏馈式卫星电视天线，所述偏馈式卫星电视天线包括设置在馈源后方的超材料面板，所述超材料面板包括核心层及设置在核心层一侧表面的反射板，所述核心层包括至少一个核心层片层，所述核心层片层包括片状的基材以及设置在基材上的多个人造孔结构，所述核心层片层按照折射率分布可划分为多个带状区域，以一定点为圆心，所述多个带状区域上相同半径处的折射率相同，且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，处于内侧的带状区域的折射率的最小值小于处于外侧的带状区域的折射率的最大值，该圆心与馈源的连线垂直于核心层片层，且该圆心不与核心层片层的中心重合。

进一步地，所述核心层包括多个相互平行的核心层片层。

进一步地，所述多个核心层片层中靠近反射板的核心层片层的所有带状区域具有相同的折射率变化范围，即每一个带状区域的折射率均是由最大值n_max连续减小到最小值n_min。

进一步地，所述多个核心层片层中靠近反射板的核心层片层的折射率分布满足如下公式：

n {(r)}_{m} = n_{\max} - \frac{\sqrt{r^{2} + s^{2}} - \sqrt{{(M_{L} + {seg}_{k})}^{2} + s^{2}}}{d};

{seg}_{k} = \sqrt{{(v_{0} + kλ)}^{2} - s^{2}} - \sqrt{{v_{0}}^{2} - s^{2}};

k = floor {\frac{\sqrt{{(| r - M_{L} | + \sqrt{{v_{0}}^{2} - s^{2}})}^{2} + s^{2}} - v_{0}}{λ}};

v_{0} = \sqrt{{M_{L}}^{2} + s^{2}};

其中，n(r)_m表示该核心层片层上半径为r处的折射率值，m表示该核心层片层的编号及核心层片层的总层数；

s为馈源到与其靠近的核心层片层的垂直距离；

d为核心层的厚度。

进一步地，其它核心层片层的折射率分布满足如下公式：

n {(r)}_{j} = n_{\min} + \frac{j}{m} (n {(r)}_{m} - n_{\min});

其中，j表示核心层片层的编号，靠近反射板的核心层编号为m，由反射板向馈源方向，编号依次减小，靠近馈源的核心层片层编号为1。

进一步地，所述核心层由7块核心层片层组成，即m＝7。

进一步地，所述圆心设置在与核心层片层的下边缘相距M_L的位置上。

进一步地，所述下边缘为直线，所述M_L表示圆心与下边缘中点的距离。

进一步地，所述下边缘为曲线，所述M_L表示圆心与下边缘顶点的距离。

进一步地，所述核心层的每一核心层片层的多个人造孔结构形状相同，所述多个人造孔结构中填充有折射率大于基材的介质，相同半径处的多个人造孔结构具有相同的体积，且每一带状区域上随着半径的增大人造孔结构的体积逐渐减小，相邻两个带状区域，处于内侧的带状区域的人造孔结构体积的最小值小于处于外侧的带状区域的人造孔结构体积的最大值。

进一步地，所述核心层的每一核心层片层的多个人造孔结构形状相同，所述多个人造孔结构中填充有折射率小于基材的介质，相同半径处的多个人造孔结构具有相同的体积，且每一带状区域上随着半径的增大人造孔结构的体积逐渐增大，相邻两个带状区域，处于内侧的带状区域的人造孔结构体积的最大值大于处于外侧的带状区域的人造孔结构体积的最小值。

根据本发明的偏馈式卫星电视天线，由片状的超材料面板代替了传统的抛物面天线，制造加工更加容易，成本更加低廉。

本发明还提供了一种卫星电视接收系统，包括馈源、高频头及卫星接收机，所述卫星电视接收系统还包括上述的偏馈式卫星电视天线，所述偏馈式卫星电视天线设置在馈源的后方。

附图说明

图1是本发明的偏馈式卫星电视天线的结构示意图；

图2是本发明一种形式的超材料单元的透视示意图；

图3是本发明的方形的核心层片层的折射率分布示意图；

图4是本发明的一种形式的核心层片层的结构示意图；

图5是本发明的另一种形式的核心层片层的结构示意图；

图6是本发明的半圆形的核心层片层的折射率分布示意图；

图7是本发明的圆形的核心层片层的折射率分布示意图。

具体实施方式

如图1至图5所示，根据本发明偏馈式卫星电视天线包括设置在馈源1后方的超材料面板100，所述超材料面板100包括核心层10及设置在核心层一侧表面上的反射板200，所述核心层10包括至少一个核心层片层11，所述核心层片层包括片状的基材13以及设置在基材13上的多个人造孔结构12，所述核心层片层11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)，以一定点为圆心，所述多个带状区域上相同半径处的折射率相同，且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，处于内侧的带状区域的折射率的最小值小于处于外侧的带状区域的折射率的最大值，该圆心与馈源1的连线垂直于核心层片层11，且该圆心不与核心层片层11的中心重合，即馈源1不在核心层片层11的中轴线上，实现了天线的偏馈。馈源1与超材料面板100均有支架支撑，图中并未示出支架，其不是本发明的核心，采用传统的支撑方式即可。另外馈源优选为喇叭天线。本发明中，所述圆心设置在与核心层片层的下边缘相距M_L的位置上，这样，就避免了所谓馈源阴影的影响，在天线面积，加工精度，接收频率相同的前提下，可以提高天线的增益。图2中的核心层片层11呈方形，此种情况下，所述M_L表示圆心O1与下边缘B1中点B2的距离。当然，核心层片层11也可以是其它形状，例如图6所述的半圆形。图2、图6所示的形状有一个共同点，即其下边缘B1均为直线，而圆心O1与下边缘B1中点Z1的距离为M_L。当然，核心层片层11还可以是图7所示的圆形；图7所示的圆形其下边缘B2可以看成了一段圆弧(曲线)，即其下边缘B2为曲线，此种情况下，所述M_L表示圆心O2与下边缘B2顶点Z2的距离，即圆心O2与下边缘B2中点Z2的距离为M_L。核心层片层的形状根据不同的需要还可以有其它形状，可以是规则的形状，也可以是不规则的形状。在馈源采用喇叭天线的情况下，M_L的取值与喇叭天线的张角，及其倾斜角度有关，这个根据不同需要可以合理的调整，这样设计的好处是为了使得整个核心层都能发挥作用，当然M_L的取值可以是零，效果可能会差一些，但是也能实现本发明。另外，本发明中，反射板为具有光滑的表面的金属反射板，例如可以是抛光的铜板、铝板或铁板等。

如图1至图5所示，所述核心层10包括多个相互平行的核心层片层11。多个核心层片层11紧密贴合，相互之间可以通过双面胶粘接，或者通过螺栓等固定连接。另外相邻的两个核心层片层11之间还可以有间隔，间隔中填充空气或其它介质，以改善核心层的性能。每一核心层片层11的基材13可以划分为多个相同的基材单元V，每一个基材单元V上设置有人造孔结构12，每一个基材单元V与其对应的人造孔结构12构成一个超材料单元D，每一核心层片层11在厚度方向上只有一个超材料单元D。每一基材单元V可以是完全相同的方块，可以是立方体，也可是长方体，每一基材单元V的长、宽、高体积不大于入射电磁波波长的五分之一(通常为入射电磁波波长的十分之一)，以使得整个核心层对电磁波具有连续的电场和/或磁场响应。优选情况下，所述基材单元V为边长是入射电磁波波长十分之一的立方体。

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(向折射率大的超材料单元偏折)。因此，本发明的核心层对电磁波具有汇聚作用，卫星发出的电磁波首先通过核心层的第一次汇聚作用，经过反射板反射，再通过核心层的第二次汇聚作用，因此，合理设计核心层的折射率分布，可以使得卫星发出的电磁波依次经过第一次汇聚、反射板反射及第二汇聚后，可以汇聚到馈源上。在基材的材料以及填充介质的材料选定的情况下，可以通过设计人造孔结构的形状、体积和/或人造孔结构在基材上的排布获得超材料内部的电磁参数分布，从而设计出每一超材料单元的折射率。首先从超材料所需要的效果出发计算出超材料内部的电磁参数空间分布(即每一超材料单元的电磁参数)，根据电磁参数的空间分布来选择每一超材料单元上的人造孔结构的形状、体积(计算机中事先存放有多种人造孔结构数据)，对每一超材料单元的设计可以用穷举法，例如先选定一个具有特定形状的人造孔结构，计算电磁参数，将得到的结果和我们想要的对比，循环多次，一直到找到我们想要的电磁参数为止，若找到了，则完成了人造孔结构的设计参数选择；若没找到，则换一种形状的人造孔结构，重复上面的循环，一直到找到我们想要的电磁参数为止。如果还是未找到，则上述过程也不会停止。也就是说只有找到了我们需要的电磁参数的人造孔结构，程序才会停止。由于这个过程都是由计算机完成的，因此，看似复杂，其实很快就能完成。

本发明中，所述核心层的基材由陶瓷材料、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聚四氟乙烯、环氧树脂、F4B复合材料、FR-4复合材料等。例如，聚四氟乙烯的电绝缘性非常好，因此不会对电磁波的电场产生干扰，并且具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性，使用寿命长。

本发明中，所述人造孔结构可以通过高温烧结、注塑、冲压或数控打孔的方式形成在基材上。当然对于不同材料的基材，人造孔结构的生成方式也会有所不同，例如，当选用陶瓷材料作为基材时，优选采用高温烧结的形式在基材上生成人造孔结构。当选用高分子材料作为基材时，例如聚四氟乙烯、环氧树脂，则优选采用注塑或冲压的形式在基材上生成人造孔结构。

本发明的所述人造孔结构可以是圆柱孔、圆锥孔、圆台孔、梯形孔或方形孔一种或组合。当然也可以是其它形式的孔。每一超材料单元D上的人造孔结构的形状根据不同的需要，可以相同，也可以不同。当然，为了更加容易加工制造，整个超材料，优选情况下，采用同一种形状的孔。

如图1所示，为本发明的超材料面板的结构示意图，如图1及图3所示，所述多个核心层片层11中靠近反射板的核心层片层117的所有带状区域具有相同的折射率变化范围，即每一个带状区域的折射率均是由最大值n_max连续减小到最小值n_min，作为一示例，n_max可以取值6，n_min取值1，即，每个带状区域的折射率均是由6连续减小到1。上述述核心层片层117的折射率分布满足如下公式：

n {(r)}_{m} = n_{\max} - \frac{\sqrt{r^{2} + s^{2}} - \sqrt{{(M_{L} + {seg}_{k})}^{2} + s^{2}}}{d} - - - (1);

{seg}_{k} = \sqrt{{(v_{0} + kλ)}^{2} - s^{2}} - \sqrt{{v_{0}}^{2} - s^{2}} - - - (2);

k = floor {\frac{\sqrt{{(| r - M_{L} | + \sqrt{{v_{0}}^{2} - s^{2}})}^{2} + s^{2}} - v_{0}}{λ}} - - - (3);

v_{0} = \sqrt{{M_{L}}^{2} + s^{2}} - - - (4);

其中，n(r)_m表示该核心层片层上半径为r处的折射率值，也即核心层片层上半径为r的超材料单元D的折射率；此处半径指的是每一单元基材V的中点到圆心O1的距离，此处的单元基材V的中点，指的是单元基材V与圆心O1同一平面的一表面的中点。m表示该核心层片层的编号及核心层片层的总层数；

s为馈源1到与其靠近的核心层片层111的垂直距离；

d为核心层的厚度；

公式(3)中，floor表示向下取整数；k还可以用来表示带状区域的编号，当k＝0时，表示第一个带状区域H1；当k＝1时，表示与第一个带状区域H1相邻的第二个带状区域H2；依此类推。r的最大值确定了有多少个带状区域。每一核心层片层的厚度通常是一定的(通常是入射电磁波波长的十分之一)，这样，在核心层形状选定的情况下，核心层片层的尺寸就可以得到确定。

由公式(1)、公式(2)、公式(3)及公式(4)所确定的核心层10，能够保证卫星发出的电磁波汇聚到馈源1处。这个通过计算机模拟仿真，或者利用光学原理可以得到(即利用光程相等计算)。

本实施例中，核心层片层11的厚度是一定的，通常在入射电磁波波长λ的五分之一以下，优选是入射电磁波波长λ的十分之一。这样，如果工作频率选定(即波长一定)，再结合天线的装配空间要求，合理设计上述公式中的其它变量，就可以实现卫星发出的电磁波汇聚到馈源1处。对任意频率的天线都可以如此设计，因此就可以设计出任意我们想要的频率的偏馈式卫星电视天线。例如，C波段和Ku波段。C波段的频率范围是3400MHz～4200MHz。Ku波段的频率10.7～12.75GHz，其中可分为10.7～11.7GHz、11.7～12.2GHz、12.2～12.75GHz等频段。

如图1所示，本实施例中，其它核心层片层的折射率分布满足如下公式：

n {(r)}_{j} = n_{\min} + \frac{j}{m} (n {(r)}_{m} - n_{\min}) - - - (5);

本实施例中，如图1所示，所述核心层由7块核心层片层组成，即m＝7。即由反射板向馈源方向，每一核心层片层的折射率分布依次为：

第7个核心层片层：

n {(r)}_{7} = n_{\max} - \frac{\sqrt{r^{2} + d^{2}} - \sqrt{{(M_{L} + {seg}_{k})}^{2} + s^{2}}}{d};

第6个核心层片层：

n {(r)}_{6} = n_{\min} + \frac{6}{7} (n {(r)}_{7} - n_{\min});

第5个核心层片层：

n {(r)}_{5} = n_{\min} + \frac{5}{7} (n {(r)}_{7} - n_{\min});

第4个核心层片层：

n {(r)}_{4} = n_{\min} + \frac{4}{7} (n {(r)}_{7} - n_{\min});

第3个核心层片层：

n {(r)}_{3} = n_{\min} + \frac{3}{7} (n {(r)}_{7} - n_{\min});

第2个核心层片层：

n {(r)}_{2} = n_{\min} + \frac{2}{7} (n {(r)}_{7} - n_{\min});

第1个核心层片层：

n {(r)}_{1} = n_{\min} + \frac{1}{7} (n {(r)}_{7} - n_{\min});

图4为一种形式的核心层片层11，所述核心层的每一核心层片层11的多个人造孔结构12形状相同，为图2中所示的圆柱形孔，且每一圆柱形孔的中轴线穿过相应的基材单元V的中点，所述多个人造孔结构中填充有折射率大于基材13的介质，相同半径处的多个人造孔结构具有相同的体积，且每一带状区域上随着半径的增大人造孔结构12的体积逐渐减小，相邻两个带状区域，处于内侧的带状区域的人造孔结构12体积的最小值小于处于外侧的带状区域的人造孔结构12体积的最大值。由于人造孔结构12中填充有折射率大于基材13的介质，因此人造孔结构体积越大，则填充的介质越多，其对应的折射率越大，因此，通过此方式可以实现核心层片层的折射率分布按公式(1)的分布。

图5为另一种形式的核心层10，所述核心层的每一核心层片层11的多个人造孔结构12形状相同，所述多个人造孔结构12中填充有折射率小于基材13的介质，相同半径处的多个人造孔结构具有相同的体积，且每一带状区域上随着半径的增大人造孔结构12的体积逐渐增大，相邻两个带状区域，处于内侧的带状区域的人造孔结构12体积的最大值大于处于外侧的带状区域的人造孔结构12体积的最小值。由于人造孔结构12中填充有折射率小于基材的介质，因此人造孔结构体积越大，则填充的介质越多，其对应的折射率反而越小，因此，通过此方式也可以实现核心层片层的折射率分布按公式(1)的分布。

图4与图5从外观上看完全相同，折射率分布也相同，只是其实现上述折射率分布的方式有所不同(填充介质不同)。

另外，本发明还提供本发明还提供了一种卫星电视接收系统，包括馈源、高频头及卫星接收机，所述卫星电视接收系统还包括上述的偏馈式卫星电视天线，所述偏馈式卫星电视天线设置在馈源的后方。

馈源、高频头及卫星接收机均为现有的技术，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

1.一种偏馈式卫星电视天线，其特征在于，所述偏馈式卫星电视天线包括设置在馈源后方的超材料面板，所述超材料面板包括核心层及设置在核心层一侧表面的反射板，所述核心层包括至少一个核心层片层，所述核心层片层包括片状的基材以及设置在基材上的多个人造孔结构，所述核心层片层按照折射率分布可划分为多个带状区域，以一定点为圆心，所述多个带状区域上相同半径处的折射率相同，且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，处于内侧的带状区域的折射率的最小值小于处于外侧的带状区域的折射率的最大值，该圆心与馈源的连线垂直于核心层片层，且该圆心不与核心层片层的中心重合；所述核心层包括多个相互平行的核心层片层；所述多个核心层片层中靠近反射板的核心层片层的所有带状区域具有相同的折射率变化范围，即每一个带状区域的折射率均是由最大值n_max连续减小到最小值n_min；所述多个核心层片层中靠近反射板的核心层片层的折射率分布满足如下公式：

{m (r)}_{m} = n_{\max} - \frac{\sqrt{r^{2} + s^{2}} - \sqrt{{(M_{L} + {seg}_{k})}^{2} + s^{2}}}{d};

{seg}_{k} = \sqrt{{(v_{0} + kλ)}^{2} - s^{2}} - \sqrt{{v_{0}}^{2} - s^{2}};

k = floor {\frac{\sqrt{{(| r - M_{L} | + \sqrt{{v_{o}}^{2} - s^{2}})}^{2} + s^{2}} - v_{0}}{λ}};

v_{o} = \sqrt{{M_{L}}^{2} + s^{2}};

其中，n(r)_m表示该核心层片层上半径为r处的折射率值，m表示该核心层片层的编号及核心层片层的总层数；s为馈源到与其靠近的核心层片层的垂直距离；d为核心层的厚度；M_L表示圆心与下边缘中点的距离；floor{}表示向下取整数；λ表示入射电磁波波长。

2.根据权利要求1所述的偏馈式卫星电视天线，其特征在于，其它核心层片层的折射率分布满足如下公式：

{n (r)}_{j} = n_{\min} + \frac{j}{m} ({n (r)}_{m} - n_{\min});

3.根据权利要求2所述的偏馈式卫星电视天线，其特征在于，所述核心层由7块核心层片层组成，即m＝7。

4.根据权利要求2所述的偏馈式卫星电视天线，其特征在于，所述圆心设置在与核心层片层的下边缘相距M_L的位置上。

5.根据权利要求4所述的偏馈式卫星电视天线，其特征在于，所述下边缘为直线，所述M_L表示圆心与下边缘中点的距离。

6.根据权利要求5所述的偏馈式卫星电视天线，其特征在于，所述下边缘为曲线，所述M_L表示圆心与下边缘顶点的距离。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的偏馈式卫星电视天线，其特征在于，所述核心层的每一核心层片层的多个人造孔结构形状相同，所述多个人造孔结构中填充有折射率大于基材的介质，相同半径处的多个人造孔结构具有相同的体积，且每一带状区域上随着半径的增大人造孔结构的体积逐渐减小，相邻两个带状区域，处于内侧的带状区域的人造孔结构体积的最小值小于处于外侧的带状区域的人造孔结构体积的最大值。

8.根据权利要求1至6任意一项所述的偏馈式卫星电视天线，其特征在于，所述核心层的每一核心层片层的多个人造孔结构形状相同，所述多个人造孔结构中填充有折射率小于基材的介质，相同半径处的多个人造孔结构具有相同的体积，且每一带状区域上随着半径的增大人造孔结构的体积逐渐增大，相邻两个带状区域，处于内侧的带状区域的人造孔结构体积的最大值大于处于外侧的带状区域的人造孔结构体积的最小值。

9.一种卫星电视接收系统，包括馈源、高频头及卫星接收机，其特征在于，所述卫星电视接收系统还包括如权利要求1至8任意一项所述的偏馈式卫星电视天线，所述偏馈式卫星电视天线设置在馈源的后方。