CN102709707B - 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馈源以及固定在水平地板上的超材料平板，所述超材料平板包括单层核心层及设置在核心层一侧表面的反射板，所述核心层包括基板及附着在基板上表面的多个人造微结构，所述基板下表面附着有所述反射板，所述反射板为网格状反射板，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。

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馈源以及固定在水平地板上的超材料平板，所述超材料平板包括单层核心层及设置在核心层一侧表面的反射板，所述核心层包括基板及附着在基板上表面的多个人造微结构，所述基板下表面附着有所述反射板；所述反射板为网格状反射板，其包括多片彼此相隔相同间隙的金属片；所述单层核心层的折射率分布满足如下公式：

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

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；

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

d₂＝cosα*(L-y)；

ss＝cosα*(L-y_source)-sinα*z₀；

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。

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。

进一步地，每一所述金属片为正方形金属片，其边长为18至20毫米；相邻金属片的间隙为0.13至0.18毫米。

进一步地，所述人造微结构为由铜线或银线构成的金属微结构，所述金属微结构呈平面雪花状，所述金属微结构具有相互垂直平分的第一金属线及第二金属线，所述第一金属线与第二金属线的长度相同，所述第一金属线两端连接有相同长度的两个第一金属分支，所述第一金属线两端连接在两个第一金属分支的中点上，所述第二金属线两端连接有相同长度的两个第二金属分支，所述第二金属线两端连接在两个第二金属分支的中点上，所述第一金属分支与第二金属分支的长度相等。

进一步地，所述平面雪花状的金属微结构的每个第一金属分支及每个第二金属分支的两端还连接有完全相同的第三金属分支，相应的第三金属分支的中点分别与第一金属分支及第二金属分支的端点相连。

进一步地，所述平面雪花状的金属微结构的第一金属线与第二金属线均设置有两个弯折部，所述平面雪花状的金属微结构绕第一金属线与第二金属线的交点在金属微结构所处平面内向任意方向旋转90度的图形都与原图重合。

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。

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。

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是本发明的超材料卫星天线的结构示意图；

图3是本发明的核心层的结构示意图；

图4是本发明的核心层其中一个超材料单元的示意图；

图5是本发明的平面雪花状的金属微结构的示意图；

图6是图5所示的平面雪花状的金属微结构的一种衍生结构；

图7是图5所示的平面雪花状的金属微结构的一种变形结构；

图8是平面雪花状的金属微结构的拓扑形状的演变的第一阶段；

图9是平面雪花状的金属微结构的拓扑形状的演变的第二阶段；

图10为本发明的网格状反射板的结构示意图。

具体实施方式

如图1至图4所示，根据本发明的超材料卫星天线包括设置在馈源1下方的超材料平板100，所述超材料平板100包括核心层10及设置在核心层表面一侧的网格状反射板200，所述核心层10包括基板13及附着在基板13上表面的多个人造微结构12，所述基板13下表面附着有所述网格状反射板200，馈源1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。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：

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

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。

如图3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馈源等效点处发生汇聚。

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，即馈源作为辐射源，超材料平板的作用是将馈源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。

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。优选地，所述人造微结构为图5所示的平面雪花状的金属微结构通过拓扑形状演变得到的多个不同的拓扑形状的金属微结构。

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。

图5所示为平面雪花状的金属微结构的示意图，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J1及第二金属线J2，所述第一金属线J1与第二金属线J2的长度相同，所述第一金属线J1两端连接有相同长度的两个第一金属分支F1，所述第一金属线J1两端连接在两个第一金属分支F1的中点上，所述第二金属线J2两端连接有相同长度的两个第二金属分支F2，所述第二金属线J2两端连接在两个第二金属分支F2的中点上，所述第一金属分支F1与第二金属分支F2的长度相等。

图6是图5所示的平面雪花状的金属微结构的一种衍生结构。其在每个第一金属分支F1及每个第二金属分支F2的两端均连接有完全相同的第三金属分支F3，并且相应的第三金属分支F3的中点分别与第一金属分支F1及第二金属分支F2的端点相连。依此类推，本发明还可以衍生出其它形式的金属微结构。

图7是图5所示的平面雪花状的金属微结构的一种变形结构，此种结构的金属微结构，第一金属线J1与第二金属线J2不是直线，而是弯折线，第一金属线J1与第二金属线J2均设置有两个弯折部WZ，但是第一金属线J1与第二金属线J2仍然是垂直平分，通过设置弯折部的朝向与弯折部在第一金属线与第二金属线上的相对位置，使得图8所示的金属微结构绕垂直于第一金属线与第二金属线交点的轴线向任意方向旋转90度的图形都与原图重合。另外，还可以有其它变形，例如，第一金属线J1与第二金属线J2均设置多个弯折部WZ。

本发明中，所述核心层11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(如图4所示的平面雪花状的金属微结构)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3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5所示的平面雪花状的金属微结构，其线宽W各处一致；此处的拓扑结构，是指拓扑形状演变的基本形状。

(4)确定金属微结构的拓扑形状参数。如图5所示，本发明中，平面雪花状的金属微结构的拓扑形状参数包括金属微结构的线宽W，第一金属线J1的长度a，第一金属分支F1的长度b。

(5)确定金属微结构的拓扑形状的演变限制条件。本发明中，金属微结构的拓扑形状的演变限制条件有，金属微结构之间的最小间距WL(即如图5所示，金属微结构与超材料单元的长边或宽边的距离为WL/2)，金属微结构的线宽W，超材料单元的尺寸；由于加工工艺限制，WL大于等于0.1mm，同样，线宽W也是要大于等于0.1mm。第一次仿真时，WL可以取0.1mm，W可以取0.3mm，超材料单元的尺寸为长与宽为2.8mm，厚度为1.018mm，此时金属微结构的拓扑形状参数只有a和b两个变量。金属微结构的拓扑形状通过如图8至图9所示的演变方式，对应于某一特定频率(例如11.95GHZ)，可以得到一个连续的折射率变化范围。

具体地，所述金属微结构的拓扑形状的演变包括两个阶段(拓扑形状演变的基本形状为图5所示的金属微结构)：

第一阶段：根据演变限制条件，在b值保持不变的情况下，将a值从最小值变化到最大值，此演变过程中的金属微结构均为“十”字形(a取最小值时除外)。本实施例中，a的最小值即为0.3mm(线宽W)，a的最大值为(CD-WL)。因此，在第一阶段中，金属微结构的拓扑形状的演变如图8所示，即从边长为W的正方形JX1，逐渐演变成最大的“十”字形拓扑形状JD1。在第一阶段中，随着金属微结构的拓扑形状的演变，与其对应的超材料单元的折射率连续增大(对应天线一特定频率)。

第二阶段：根据演变限制条件，当a增加到最大值时，a保持不变；此时，将b从最小值连续增加到最大值，此演变过程中的金属微结构均为平面雪花状。本实施例中，b的最小值即为0.3mm，b的最大值为(CD-WL-2W)。因此，在第二阶段中，金属微结构的拓扑形状的演变如图9所示，即从最大的“十”字形拓扑形状JD1，逐渐演变成最大的平面雪花状的拓扑形状JD2，此处的最大的平面雪花状的拓扑形状JD2是指，第一金属分支J1与第二金属分支J2的长度b已经不能再伸长，否则第一金属分支与第二金属分支将发生相交。在第二阶段中，随着金属微结构的拓扑形状的演变，与其对应的超材料单元的折射率连续增大(对应天线一特定频率)。

通过上述演变得到超材料单元的折射率变化范围如果包含了n_min至n_max的连续变化范围，则满足设计需要。如果上述演变得到超材料单元的折射率变化范围不满足设计需要，例如最大值太小或最小值过大，则变动WL与W，重新仿真，直到得到我们需要的折射率变化范围。

根据公式(1)至(8)，将仿真得到的一系列的超材料单元按照其对应的折射率排布以后(实际上就是不同拓扑形状的多个人造微结构在基板上的排布)，即能得到本发明的核心层。

在制备得到核心层后，本发明的反射板200不采用常规的具有光滑表面的纯铝板或纯铜板等，也不是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。本发明采用网格状的反射板200，其结构图如图10所示。当采用具有光滑表面的纯铜板或纯铝板等制备得到反射板时，由于其厚度较薄，一般为0.01至0.03毫米，相对其厚度，其长宽较长，在制备和应用时容易因为应力的作用发生翘曲，一方面降低了产品制备过程中的良率，造成大量浪费，另一方面也增大了产品使用后的维护成本。当采用网格状的反射板200后，其由多片相互之间间隔相同间隙的金属片2000构成，每一金属片2000的长宽值和厚度值的差异减小，从而产品的应力不会将每一金属片2000翘曲。然而由于各金属片2000之间具有缝隙2001，如果缝隙2001的宽度过宽会使得电磁波被网格状反射板200反射时产生栅瓣效应，给天线性能带来影响，而如果缝隙2001的宽度过窄则会使得每一金属片2000的长宽值与厚度值的差异增大，不利于应力的释放。

本发明网格状的反射板200中各金属片2000为正方形金属片，其边长为18至20毫米，相邻金属片2000的间隙为0.13至0.18毫米，金属片2000的厚度为0.01至0.5毫米。在上述取值范围内，反射板200一方面不会因为应力过大造成其边界翘曲现象的发生，另一方面也有效的避免了栅瓣效应的产生，能增强天线性能，提高天线制备过程中的良率。

以上描述的所述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馈源以及固定在水平地板上的超材料平板，所述超材料平板包括单层核心层及设置在核心层一侧表面的反射板，所述核心层包括基板及附着在基板上表面的多个人造微结构，所述基板下表面附着有所述反射板；所述反射板为网格状反射板，其包括多片彼此相隔相同间隙的金属片；所述单层核心层的折射率分布满足如下公式：

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

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；

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

d₂＝cosα*(L-y)；

ss＝cosα*(L-y_source)-sinα*z₀；

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_sourec’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。

2.根据权利要求1所述的超材料卫星天线，其特征在于，所述超材料卫星天线还包括覆盖在人造微结构上的保护膜。

3.根据权利要求2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。

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。

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。

6.根据权利要求1所述的超材料卫星天线，其特征在于，每一所述金属片为正方形金属片，其边长为18至20毫米；相邻金属片的间隙为0.13至0.18毫米。

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，所述金属微结构呈平面雪花状，所述金属微结构具有相互垂直平分的第一金属线及第二金属线，所述第一金属线与第二金属线的长度相同，所述第一金属线两端连接有相同长度的两个第一金属分支，所述第一金属线两端连接在两个第一金属分支的中点上，所述第二金属线两端连接有相同长度的两个第二金属分支，所述第二金属线两端连接在两个第二金属分支的中点上，所述第一金属分支与第二金属分支的长度相等。

8.根据权利要求7所述的超材料卫星天线，其特征在于，所述平面雪花状的金属微结构的每个第一金属分支及每个第二金属分支的两端还连接有完全相同的第三金属分支，相应的第三金属分支的中点分别与第一金属分支及第二金属分支的端点相连。

9.根据权利要求7所述的超材料卫星天线，其特征在于，所述平面雪花状的金属微结构的第一金属线与第二金属线均设置有两个弯折部，所述平面雪花状的金属微结构绕第一金属线与第二金属线的交点在金属微结构所处平面内向任意方向旋转90度的图形都与原图重合。

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。