CN103036058B - 一种平板射电望远镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平板射电望远镜，包括设置在接收机后方的超材料平板天线，所述超材料平板天线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微结构，以一定点为圆心，所述核心层片层上相同半径处的折射率相同，随着半径的增大折射率逐渐减小，该圆心与接收机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。根据本发明的平板射电望远镜，由片状的超材料平板天线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。

Description

一种平板射电望远镜

技术领域

本发明涉及通信领域，更具体地说，涉及一种平板射电望远镜。

背景技术

射电望远镜(radiotelescope)是指观测和研究来自天体的射电波的基本设备，可以测量天体射电的强度、频谱及偏振等量。射电望远镜主要包括两大部分，即天线和接收系统，天线用于收集射电波，接收系统通常包括放大射电信号的高灵敏度接收机，信息记录设备、信号处理设备和显示设备等。传统的射电望远镜的基本原理和光学反射望远镜相似，投射来的电磁波被一精确镜面反射后，同相到达公共焦点。用旋转抛物面作镜面易于实现同相聚焦，因此，射电望远镜天线大多是抛物面天线。射电望远镜表面和一理想抛物面的均方误差如不大于λ/16～λ/10，该望远镜一般就能在波长大于λ的射电波段上有效地工作。对米波或长分米波观测，可以用金属网作镜面；而对厘米波和毫米波观测，则需用光滑精确的金属板(或镀膜)作镜面。从天体投射来并汇集到望远镜焦点的射电波，必须达到一定的功率电平，才能为接收机所检测。目前的检测技术水平要求最弱的电平一般应达10-20瓦。射频信号功率首先在焦点处放大10～1000倍，并变换成较低频率(中频)，然后用电缆将其传送至控制室，在那里再进一步放大、检波，最后以适于特定研究的方式进行记录、处理和显示。天线收集天体的射电辐射，接收机将这些信号加工、转化成可供记录、显示的形式，终端设备把信号记录下来，并按特定的要求进行某些处理然后显示出来。表征射电望远镜性能的基本指标是空间分辨率和灵敏度，前者反映区分两个天球上彼此靠近的射电点源的能力，后者反映探测微弱射电源的能力。射电望远镜通常要求具有高空间分辨率和高灵敏度。灵敏度是指射电望远镜″最低可测″的能量值，这个值越低灵敏度越高。为提高灵敏度常用的办法有降低接收机本身的固有噪声，增大天线接收面积，延长观测积分时间等。分辨率是指区分两个彼此靠近射电源的能力，分辨率越高就能将越近的两个射电源分开。那么，怎样提高射电望远镜的分辨率呢？对单天线射电望远镜来说，天线的直径越大分辨率越高。但是天线的直径难于作得很大，目前单天线的最大直径小于300米，对于波长较长的射电波段分辨率仍然很低。分辨率指的是区分两个彼此靠近的相同点源的能力，因为两个点源角距须大于天线方向图的半功率波束宽度时方可分辨，故宜将射电望远镜的分辨率规定为其主方向束的半功率宽。为电波的衍射所限，对简单的射电望远镜，它由天线孔径的物理尺寸D和波长λ决定。

可见传统的射电望远镜性能主要取决于天线的尺寸，但是，加工这样大尺寸的抛物面天线不仅加工难度大，而且成本相当的高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有的射电望远镜加工不易、成本高的缺陷，提供一种加工简单、制造成本低的平板射电望远镜。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种平板射电望远镜，包括设置在接收机后方的超材料平板天线，所述超材料平板天线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微结构，以一定点为圆心，所述核心层片层上相同半径处的折射率相同，随着半径的增大折射率逐渐减小，该圆心与接收机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，所述核心层片层还包括覆盖人造微结构的填充层。

进一步地，所述核心层包括多个折射率分布相同且相互平行的核心层片层。

进一步地，所述超材料平板天线还包括设置在核心层另一侧的匹配层，以实现从空气到核心层的折射率匹配。

进一步地，所述核心层片层的折射率n(r)分布满足如下公式：

$n\left(r\right)=n_{\max }-\frac{\sqrt{l^2+r^2}-l}{2d};$

其中，n(r)表示核心层片层上半径为r处的折射率值；

l为接收机到与其靠近的匹配层的距离，或l为接收机到核心层的距离；

d为核心层的厚度， $d=\frac{\sqrt{l^2+R^2}-l}{2(n_{\max }-n_{\min })};$

R表示最大半径；

n_max表示核心层片层上的折射率最大值；

n_min表示核心层片层上的折射率最小值。

进一步地，所述每一匹配层片层具有单一的折射率，所述匹配层的多个匹配层片层的折射率均满足以下公式：

$n\left(i\right)={((n_{\max }+n_{\min })/2)}^{\frac{i}{m}};$

其中，m表示匹配层的总层数，i表示匹配层片层的编号，其中，靠近核心层的匹配层片层的编号为m。

进一步地，所述每一匹配层片层包括材料相同的第一基板及第二基板，所述第一基板与第二基板之间填充空气。

进一步地，所述圆心设置在核心层片层的下边缘上。

进一步地，所述下边缘为直线，所述圆心设置在下边缘的中点上。

进一步地，所述下边缘为曲线，所述圆心设置在下边缘的顶点处。

进一步地，所述核心层的每一核心层片层的多个人造微结构形状相同，相同半径处的多个人造微结构具有相同的几何尺寸，且随着半径的增大人造微结构的几何尺寸逐渐减小。

进一步地，所述超材料平板天线由多个单元板构成。

进一步地，所述多个单元板具有相同的形状，均为长度与宽度均为0.5m的方形板。

根据本发明的平板射电望远镜，由片状的超材料平板天线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。

附图说明

图1是本发明的平板射电望远镜的立体图；

图2是图1另一视角图；

图3是本发明一种形式的超材料单元的透视示意图；

图4是本发明的方形的核心层片层的折射率分布示意图；

图5是本发明的一种形式的核心层片层的结构示意图；

图6是本发明的匹配层的结构示意图；

图7是本发明的半圆形的核心层片层的折射率分布示意图；

图8是本发明的圆形的核心层片层的折射率分布示意图；

图9是本发明的椭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，根据本发明平板射电望远镜包括设置在接收机1后方的超材料平板天线100，所述超材料平板天线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上的多个人造微结构12，以一定点为圆心，所述核心层片层上相同半径处的折射率相同，随着半径的增大折射率逐渐减小，该圆心与接收机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，即接收机不在核心层片层的中轴线上，实现了天线的偏馈。图1所示的超材料平板天线100是铺设在平坦的地面上的，接收机1通过支撑架300架设在超材料平板天线100的上方，接收机在地面的投影落在超材料平板天线100的外围。当然，超材料平板天线100也可以通过支架架设在空中。另外，接收机1也可以架设在其它位置。另外接收机为传统射电望远镜所用的接收机，并无特别之处。本发明中，所述圆心设置在核心层片层11的下边缘上，这样，就避免了所谓接收机阴影的影响，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4中的核心层片层11呈方形，所述圆心设置在方形的核心层片层的下边缘B1上，更确切地说是设置在下边缘B1的中点O1上。当然，核心层片层11也可以是其它形状，例如图7所述的半圆形。图5、图7有一个共同点，即其下边缘均为直线，而圆心为直线下边缘的中点O1。当然，核心层片层11还可以是图8所示的圆形或图9所示的椭圆形；图8所示的圆形及图9所示的椭圆形其下边缘可以看成了一段圆弧(曲线)，即其下边缘B2为曲线，而圆心在曲线下边缘B2的顶点O2上。核心层片层的形状根据不同的需要还可以有其它形状。另外，本发明中，反射板200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。

本发明中，所述核心层10包括多个折射率分布相同且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，所述核心层片层11还包括覆盖人造微结构12的填充层15，填充层15可以空气，也可以是其它介质板，优选为与基材13相同的材料制成的板状件。如图3及图5所示，每一核心层片层11的可以划分为多个相同的超材料单元D，每一超材料单元D由一个人造微结构12、单元基材V及单元填充层W构成，每一核心层片层11在厚度方向上只有一个超材料单元D。每一超材料单元D可以是完全相同的方块，可以是立方体，也可是长方体，每一超材料单元D的长、宽、高几何尺寸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，所述超材料单元D为边长是入射电磁波波长十分之一的立方体。当然，填充层的厚度是可以调节的，其最小值可以至0，也就是说不需要填充层，此种情况下，单元基材V与人造微结构12组成超材料单元，即此时超材料单元D的厚度等于单元基材V的厚度加上人造微结构的厚度，但是此时，超材料单元D的厚度也要满足十分之一波长的要求，因此，实际上，在超材料单元D的厚度选定在十分之一波长的情况下，单元基材V的厚度越大，则单元填充层W的厚度越小，当然最优的情况下，即是如图3所示的情况，即单元基材V的厚度等于单元填充层W的厚度，且元单元基材V的材料与填充层W的相同。

本发明的人造微结构12优选为金属微结构，所述金属微结构由一条或多条金属线组成。金属线本身具有一定的宽度及厚度。本发明的金属微结构优选为具有各向同性的电磁参数的金属微结构，如图3所述的平面雪花状的金属微结构。

对于具有平面结构的人造微结构，各向同性，是指对于在该二维平面上以任一角度入射的任一电磁波，上述人造微结构在该平面上的电场响应和磁场响应均相同，也即介电常数和磁导率相同；对于具有三维结构的人造微结构，各向同性是指对于在三维空间的任一方向上入射的电磁波，每个上述人造微结构在三维空间上的电场响应和磁场响应均相同。当人造微结构为90度旋转对称结构时，人造微结构即具有各向同性的特征。

对于二维平面结构，90度旋转对称是指其在该平面上绕一垂直于该平面且过其对称中心的旋转轴任意旋转90度后与原结构重合；对于三维结构，如果具有两两垂直且共交点(交点为旋转中心)的3条旋转轴，使得该结构绕任一旋转轴旋转90度后均与原结构重合或者与原结构以一分界面对称，则该结构为90度旋转对称结构。

图3所示的平面雪花状的金属微结构即为各向同性的人造微结构的一种形式，所述的雪花状的金属微结构具有相互垂直平分的第一金属线121及第二金属线122，所述第一金属线121两端连接有相同长度的两个第一金属分支1211，所述第一金属线121两端连接在两个第一金属分支1211的中点上，所述第二金属线122两端连接有相同长度的两个第二金属分支1221，所述第二金属线122两端连接在两个第二金属分支1221的中点上。

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，遥远的天体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，可以使得遥远的天体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，可以汇聚到接收机上。在基材的材料以及填充层的材料选定的情况下，可以通过设计人造微结构的形状、几何尺寸和/或人造微结构在基材上的排布获得核心层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。首先从核心层所需要的效果出发计算出核心层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微结构的形状、几何尺寸(计算机中事先存放有多种人造微结构数据)，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微结构，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，则完成了人造微结构的设计参数选择；若没找到，则换一种形状的人造微结构，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微结构，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，所述金属微结构为铜线或银线等金属线。上述的金属线可以通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基材上。当然，也可以采用三维的激光加工工艺。

如图2所示，为本发明第一实施例的超材料平板天线的结构示意图，其为图1的侧视图(省略了支撑架)，在本实施例中，所述超材料平板天线还包括设置在核心层另一侧的匹配层20，以实现从空气到核心层10的折射率匹配。我们知道，介质之间的折射率相差越大，则电磁波从一介质入射到另一介质时，反射越大，反射大，意味着能量的损失，这时候就需要折射率的匹配，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。我们知道空气的折射率为1，因此，这样设计匹配层，即靠近空气的一侧的折射率与空气基本相同，靠近核心层的一侧的折射率与其相接的核心层片层折射率基本相同。这样，就实现了从空气到核心层的折射率匹配，减小了反射，即能量损失可以大大的降低，这样电磁波可以传输的更远。

本实施例中，如图2及图4所示，所述核心层片层11的折射率n(r)分布满足如下公式：

$n\left(r\right)=n_{\max }-\frac{\sqrt{l^2+r^2}-l}{2d}---\left(1\right);$

其中，n(r)表示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。

l为接收机1到与其靠近的匹配层20的距离；

d为核心层的厚度， $d=\frac{\sqrt{l^2+R^2}-l}{2(n_{\max }-n_{\min })}---\left(2\right);$

R表示最大半径；

n_max表示核心层片层11上的折射率最大值；

n_min表示核心层片层11上的折射率最小值；

由公式(1)、公式(2)所确定的核心层10，能够保证从遥远天体来的电磁波汇聚到接收机处。这个通过计算机模拟仿真，或者利用光学原理可以得到。

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，在设计时，通过入射电磁波的频率，可以确定其波长，从而得到每一核心层片层的厚度，由公式(2)我们知道，在核心层片层最大半径R以及接收机1到与其靠近的匹配层20的距离l确定的情况下，d的变化只与数值(n_max-n_min)有关，因此合理设计(n_max-n_min)的数值，即可得到适当厚度的核心层。例如，对于3GHz的入射电磁波，其波长为0.1m，则核心层片层每层的厚度可以是0.01m，每一超材料单元可以是边长为0.01m的立方体，核心层片层的折射率的变化范围为1至11，即(n_max-n_min)的数值为10。我们假定公式(2)中的l与R为定值，则公式(2)此时可以简化为：

$d=\frac{\sqrt{l^2+R^2}-l}{20};$

因此，只要我们根据地面的环境等因素，以及射电望远镜需要的性能事先确定出l与R，则能很容易得到d。这样整个核心层的物理尺寸都能得到。

如图6所示，本实施例中，所述匹配层20包括多个匹配层片层21，每一匹配层片层21具有单一的折射率，所述匹配层的多个匹配层片层的折射率均满足以下公式：

$n\left(i\right)={((n_{\max }+n_{\min })/2)}^{\frac{i}{m}}---\left(4\right);$

其中，m表示匹配层的总层数，i表示匹配层片层的编号，其中，靠近核心层的匹配层片层的编号为m。从公式(4)我们可以看出，匹配层的设置(总层数m)与核心层的最大折射率n_max与最小折射率n_min有直接关系；当i＝1时，表示第1层的折射率，由于其要基本等于空气的折射率1，因此，只要n_max与n_min确定，则可以确定总层数m。

匹配层20可以是由自然界中存在的多个具有单一折射率的材料制成，也可是用如图5所示的匹配层，其包括多个匹配层片层21，每一匹配层片层21包括材料相同的第一基板22及第二基板23，所述第一基板21与第二基板22之间填充空气。通过控制空气的体积与匹配层片层21的体积的比例，可以实现折射率从1(空气的折射率)到第一基板的折射率的变化，从而可以合理设计每一匹配层片层的折射率，实现从空气到核心层的折射率匹配。

图5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的多个人造微结构12形状相同，均为平面雪花状的金属微结构，且金属微结构的中心点与单元基材V的中点重合，相同半径处的多个人造微结构具有相同的几何尺寸，且随着半径的增大人造微结构12的几何尺寸逐渐减小。由于每一超材料单元的折射率是随着金属微结构的尺寸减小而逐渐减小的，因此人造微结构几何尺寸越大，则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。

根据不同的需要(不同的入射电磁波)，以及不同的设计需要，核心层10可以包括不同层数的如图5所示的核心层片层11。

另外，由于，射电望远镜特别巨大，一体加工比较困难，因此，本实施例中，如图1所示，所述超材料平板天线100可以分为多个单元板1000，这样方便加工制造，也方便运输，以及安装维护，多个单元板1000之间可以通过卡扣连接，也可以是通过胶水粘接，从而形成一个整体。单元板1000的形成可以有以下两种方式：

(1)整体加工后割裂成片，这种方式适合较小的面积的平板天线。

(2)设计好超材料平板天线的整体结构参数，在制造前即将其分成多个单元板1000，对这些单元板单独加工制造。这种方式非常适合超大型的平板天线加工。使得平方公里级别的平板天线也可以很轻易的得到。另外这种方式，安装时也非常简单，只需要选择一块平坦的地面，像铺设瓷砖的方式进行铺设，安装维护非常简单。

本发明还有第二种实施例，第二实施例与第一实施例的区别在于核心层片层11的折射率n(r)分布公式中的l表示接收机到核心层的距离(第一实施例中l表示接收机到与其靠近的匹配层的距离)。

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 (11)

1.一种平板射电望远镜，其特征在于，包括设置在接收机后方的超材料平板天线，所述超材料平板天线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微结构，以一定点为圆心，所述核心层片层上相同半径处的折射率相同，随着半径的增大折射率逐渐减小，该圆心与接收机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；所述超材料平板天线还包括设置在核心层另一侧的匹配层，以实现从空气到核心层的折射率匹配；所述核心层片层的折射率n(r)分布满足如下公式：

$n\left(r\right)=n_{max}-\frac{\sqrt{l^2+r^2}-l}{2d};$

其中，n(r)表示核心层片层上半径为r处的折射率值；

l为接收机到与其靠近的匹配层的距离，或l为接收机到核心层的距离；

d为核心层的厚度，

R表示最大半径；

n_max表示核心层片层上的折射率最大值；

n_min表示核心层片层上的折射率最小值。

2.根据权利要求1所述的平板射电望远镜，其特征在于，所述核心层片层还包括覆盖人造微结构的填充层。

3.根据权利要求2所述的平板射电望远镜，其特征在于，所述核心层包括多个折射率分布相同且相互平行的核心层片层。

4.根据权利要求1所述的平板射电望远镜，其特征在于，所述匹配层包括多个匹配层片层，所述每一匹配层片层具有单一的折射率，所述匹配层的多个匹配层片层的折射率均满足以下公式：

$n\left(i\right)={\left(\right(n_{max}+n_{\min })/2)}^{\frac{i}{m}};$

其中，m表示匹配层的总层数，i表示匹配层片层的编号，n(i)为第i层匹配层片层的折射率，其中，靠近核心层的匹配层片层的编号为m。

5.根据权利要求4所述的平板射电望远镜，其特征在于，所述每一匹配层片层包括材料相同的第一基板及第二基板，所述第一基板与第二基板之间填充空气。

6.根据权利要求1所述的平板射电望远镜，其特征在于，所述圆心设置在核心层片层的下边缘上。

7.根据权利要求6所述的平板射电望远镜，其特征在于，所述下边缘为直线，所述圆心设置在下边缘的中点上。

8.根据权利要求6所述的平板射电望远镜，其特征在于，所述下边缘为曲线，所述圆心设置在下边缘的顶点处。

9.根据权利要求1至8任意一项所述的平板射电望远镜，其特征在于，所述核心层的每一核心层片层的多个人造微结构形状相同，相同半径处的多个人造微结构具有相同的几何尺寸，且随着半径的增大人造微结构的几何尺寸逐渐减小。

10.根据权利要求1所述的平板射电望远镜，其特征在于，所述超材料平板天线由多个单元板构成。

11.根据权利要求10所述的平板射电望远镜，其特征在于，所述多个单元板具有相同的形状，均为长度与宽度均为0.5m的方形板。