CN103682658A - 一种超材料、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，包括超材料基板和附着于所述超材料基板上的金属微结构，所述超材料基板采用的是片状模塑料基板。还涉及利用该超材料制备的超材料卫星天线及卫星接收系统。该片状模塑料基板不仅机械强度高，还具有优良的耐候性和耐热性；利用该超材料制备的超材料卫星天线及卫星接收系统，不仅实现对入射电磁波的各种调制功能，例如汇聚电磁波、吸收电磁波、对电磁波透明、高介电常数、高磁导率、负磁导率等，还能在室外恶劣的环境下保持良好的性能和较长的使用寿命。

Description

一种超材料、超材料卫星天线及卫星接收系统

【技术领域】

本发明涉及超材料领域，尤其涉及一种超材料、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。

电子产品正向薄型化、高性能化和多功能化的方向发展，为此，基板材料不仅应具有较低的介电常数和介质损耗，还要具有优异的热性能、电性能和机械性能。

传统的基板树脂多采用酚醛树脂和环氧树脂，目前应用最多的是玻璃纤维增强的环氧树脂板FR-4，这种材料由于具有制造成本低、性价比高等优点，在低频电子产品中有较好的应用，但在高频电路中，由于其介电性能以及耐高温性能较差，因此，FR-4不适合应用于高频电路中。

而目前制备超材料、超材料卫星天线的基板主要采用的是聚苯乙烯基板，因为聚苯乙烯具有低介电常数、低介质损耗等特点，非常适合作为超材料、超材料卫星天线的基板，但聚苯乙烯本身的韧性较小，并且在室外使用一段时间后，因太阳辐射，使得材料内形成离子和自由基，从而破坏化学键，材料会发生降解进一步降低材料的机械强度，因此该基板的抗老化性能有待提高。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是：提供一种机械性能好、耐候性的超材料及超材料卫星天线、卫星接收系统。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种超材料，包括超材料基板和附着于所述超材料基板上的金属微结构，所述超材料基板采用的是片状模塑料基板。

所述片状模塑料基板的厚度为1mm~6mm。

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立体结构。

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附着在所述片状模塑料基板上。

片状模塑料(简称SMC)是一种由不饱和聚酯树脂、增强纤维、填料以及各种添加剂如固化剂、增稠剂、低收缩添加剂、脱模剂和着色剂等组成的夹芯薄片状材料，其芯部由经树脂胶液充分浸渍的短切玻璃纤维构成。

一种超材料卫星天线，所述超材料卫星天线包括馈源及超材料平板，所述超材料平板包括核心层及设置在核心层一表面的反射面，所述核心层包括基板及附着在所述基板一表面的金属微结构，所述基板采用的是片状模塑料基板。

所述金属微结构附着在所述片状模塑料基板的前表面，所述片状模塑料基板的后表面附着反射面。

所述超材料卫星天线还包括覆盖在所述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0.01mm~2mm。

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的超材料卫星天线。

本发明的有益效果为：本发明超材料中的基板采用的是片状模塑料基板，该片状模塑料基板不仅机械强度高，还具有优良的耐候性和耐热性；利用该超材料制备的超材料卫星天线及卫星接收系统，不仅实现对入射电磁波的各种调制功能，例如汇聚电磁波、吸收电磁波、对电磁波透明、高介电常数、高磁导率、负磁导率等，还能在室外恶劣的环境下保持良好的性能和较长的使用寿命。

【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。

一种超材料，包括超材料基板和通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻等方法附着于超材料基板上的金属微结构，金属微结构为由金属丝（铜丝、银丝、铝丝等）构成的具有一定几何形状的平面或立体结构；本实施例的关键点在于：超材料基板采用的是厚度为1mm~6mm的片状模塑料基板。片状模塑料(简称SMC)是一种由不饱和聚酯树脂、增强纤维、填料以及各种添加剂如固化剂、增稠剂、低收缩添加剂、脱模剂和着色剂等组成的夹芯薄片状材料，其芯部由经树脂胶液充分浸渍的短切玻璃纤维构成。SMC片材具有优越的耐腐蚀性能，质轻及工程设计容易、灵活等优点，其机械性能可以与部分金属材料相媲美，其制造的产品具有良好的刚性、耐变形、使用温度范围大的优点。SMC的工艺原理为：一定量的SMC模压料装入模具后，在一定的温度和压力下SMC模压料塑化、流动并充满模腔，同时，SMC模压料发生交联团化反应，形成三维体型结构而得到语气的制品，在整个压制过程中，加压、赋形、保温等过程依靠被加热的模具的闭合实现的。

本发明还涉及利用该超材料制备的超材料卫星天线。

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面200，核心层10包括片状模塑料基板及附着在片状模塑料基板前表面的多个金属微结构，片状模塑料基板后表面附着有反射面；还包括覆盖在金属微结构上的厚度为0.01mm~2mm的保护膜，保护膜为PS塑料、PET塑料或HIPS塑料等塑料；该片状模塑料基板不仅机械强度高，还具有优良的耐候性和耐热性，所以该超材料卫星天线不仅实现对入射电磁波的各种调制功能，例如汇聚电磁波、吸收电磁波、对电磁波透明、高介电常数、高磁导率、负磁导率等，还能在室外恶劣的环境下保持良好的性能和较长的使用寿命。

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。

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：

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

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O(0,0)，所述超材料面板前表面为坐标面XOY；

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面天线。

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（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 (9)

1.一种超材料，包括超材料基板和附着于所述超材料基板上的金属微结构，其特征在于，所述超材料基板采用的是片状模塑料基板。

2.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述片状模塑料基板的厚度为1mm~6mm。

3.根据权利要求1所述的超材料，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立体结构。

4.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，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附着在所述片状模塑料基板上。

5.一种超材料卫星天线，所述超材料卫星天线包括馈源及超材料平板，所述超材料平板包括核心层及设置在核心层一表面的反射面，所述核心层包括基板及附着在所述基板一表面的金属微结构，其特征在于，所述基板采用的是片状模塑料基板。

6.根据权利要求5所述的超材料卫星天线，其特征在于，所述金属微结构附着在所述片状模塑料基板的前表面，所述片状模塑料基板的后表面附着反射面。

7.根据权利要求5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所述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0.01mm~2mm。

9.一种卫星接收系统，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5至8任意一项所述的超材料卫星天线。

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