CN102593598B - 一种偏馈式***天线及其***接收*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏馈式***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、设置在核心层一侧表面的反射板及设置在核心层另一侧表面的阻抗匹配层，核心层包括厚度相同且折射率分布相同的两个核心层片层，每一个核心层片层包括片状的第一基材以及设置在第一基材上的多个第一人造微结构，通过精确设计核心层片层的折射率分布，使得馈源发出的电磁波经超材料面板后能够以平面波的形式出射。根据本发明的偏馈式***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，另外依此设计的超材料面板整体厚度在毫米级别，相当的轻薄。另外，本发明还提供了一种具有上述偏馈式***天线的***接收***。

Description

一种偏馈式***天线及其***接收***

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***天线及其***接收***。

背景技术

传统的***接收***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***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***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***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***天线，所述偏馈式***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、设置在核心层一侧表面的反射板及设置在核心层另一侧表面的阻抗匹配层，所述核心层包括厚度相同且折射率分布相同的两个核心层片层，每一个核心层片层包括片状的第一基材以及设置在第一基材上的多个第一人造微结构，所述阻抗匹配层包括厚度相同的两个阻抗匹配层片层，所述阻抗匹配层片层包括片状的第二基材以及设置在第二基材上的多个第二人造微结构，所述核心层片层的折射率分布满足如下公式：

$n\left(r\right)=n_{\max }-\frac{\sqrt{r^2+s^2}-\mathrm{Vseg}}{D};$

Vseg＝s+λ×NUMseg；

$\mathrm{NUMseg}=\mathrm{floor}\left\{\frac{\sqrt{r^2+s^2}-s}{\mathrm{\λ}}\right\};$

$D=\frac{\mathrm{\λ}}{n_{\max }-n_{\min }};$

其中，n(r)表示核心层片层上半径为r处的折射率值，核心层片层的折射率分布圆心即为馈源等效点在超材料面板外侧表面所在平面的投影，所述圆心与超材料面板的下边沿相距sy；

s为馈源等效点到超材料面板的垂直距离；

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表示频率为天线中心频率的电磁波的波长；

floor表示向下取整。

进一步地，所述第一基材包括片状的第一前基板及第一后基板，所述多个第一人造微结构夹设在第一前基板与第一后基板之间。

进一步地，所述核心层片层的厚度为0.21-2.5mm，其中，第一前基板的厚度为0.1-1mm，第一后基板的厚度为0.1-1mm，多个第一人造微结构的厚度为0.01-0.5mm。

进一步地，所述核心层片层的厚度为0.543mm，其中，第一前基板及第一后基板的厚度均为0.254mm，多个第一人造微结构的厚度为0.035mm。

进一步地，所述阻抗匹配层片层的折射率分布满足如下公式：

$n_i\left(r\right)={n_{\min }}^{\frac{i}{m}}\×n{\left(r\right)}^{\frac{m-i}{m}};$

其中，n_i(r)表示阻抗匹配层片层上半径为r处的折射率值，阻抗匹配层片层的折射率分布圆心即为馈源等效点在相应的阻抗匹配层片层外侧表面所在平面的投影；

其中，i表示阻抗匹配层片层的编号，靠近馈源的阻抗匹配层片层的编号为m，由馈源向核心层方向，编号依次减小，靠近核心层的阻抗匹配层片层的编号为1，m＝2；

上述的n_max、n_min分别与核心层片层的折射率的最大值、最小值相同。

进一步地，所述每一阻抗匹配层片层具有单一的折射率，多个阻抗匹配层片层的折射率满足以下公式：

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

其中，m表示阻抗匹配层的总层数，i表示阻抗匹配层片层的编号，其中，靠近核心层的阻抗匹配层片层的编号为m，m＝2。

进一步地，其特征在于，所述第二基材包括片状的第二前基板及第二后基板，所述多个第二人造微结构夹设在第二前基板与第二后基板之间。

进一步地，所述阻抗匹配层片层的厚度为0.21-2.5mm，其中，第二前基板的厚度为0.1-1mm，第二后基板的厚度为0.1-1mm，多个第二人造微结构的厚度为0.01-0.5mm。

进一步地，所述阻抗匹配层片层的厚度为0.543mm，其中，第二前基板及第二后基板的厚度均为0.254mm，多个第二人造微结构的厚度为0.035mm。

进一步地，所述超材料面板任一纵截面具有相同的形状与面积。

进一步地，所述超材料面板的纵截面为方形、圆形或椭圆形。

进一步地，所述超材料面板的下边沿与馈源的上端处于同一水平。

进一步地，所述偏馈式***天线的中心频率为11.95GHZ，其中：

馈源等效点到超材料面板的垂直距离s为276.8mm；

核心层片层的折射率分布圆心与超材料面板的下边沿的距离sy为22.3mm；

馈源中轴线与超材料面板法线方向所成的夹角θ为40度；

核心层片层的层数为2层，核心层的厚度d2为1.086mm；

阻抗匹配层片层的层数为2层，阻抗匹配层的厚度d1为1.086mm；

核心层片层的折射率的最大值n_max为5.575；

核心层片层的折射率的最小值n_min为1.6355。

进一步地，所述第一人造微结构及第二人造微结构均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第一基材及第二基材上。

进一步地，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。

根据本发明的偏馈式***天线，通过精确设计核心层的折射率分布，使得特定角度的平面波经超材料面板后能够在馈源处汇聚，因此可以由片状的超材料面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面板整体厚度在毫米级别，相当的轻薄。

本发明还提供了一种***接收***，包括馈源、连接馈源的高频头及与高频头连接的卫星接收机，所述***接收***还包括上述的偏馈式***天线，所述偏馈式***天线设置在馈源的后方。

附图说明

图1是本发明的偏馈式***天线的结构示意图；

图2是本发明的核心层片层其中一个超材料单元的透视示意图；

图3是本发明的核心层片层的结构示意图；

图4是本发明的阻抗匹配层片层的结构示意图；

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是本发明另一种实施例的偏馈式***天线的结构示意图；

图11是本发明一种实施例的***接收***的结构示意图；

图12是本发明一种实施例的***天线作为发射天线时的仿真图；

图13是本发明一种实施例的***天线作为接收天线时的仿真图。

具体实施方式

如图1至图4所示，根据本发明的偏馈式***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的下边沿与馈源1的上端处于同一水平，所述超材料面板100包括核心层10、设置在核心层一侧表面上的反射板200及设置在核心层10另一侧表面的阻抗匹配层20，所述核心层10包括厚度相同且折射率分布相同的两个核心层片层11，所述核心层片层包括片状的第一基材13以及设置在第一基材13上的多个第一人造微结构12，所述阻抗匹配层20包括厚度相同的两个阻抗匹配层片层21，所述阻抗匹配层片层21包括片状的第二基材23以及设置在第二基材上的多个第二人造微结构，馈源中轴线Z1与超材料面板100的中轴线Z2具有一定的夹角θ，即图1中的中轴线Z1与直线Z3的夹角(Z3为Z1的平行线)，馈源1不在超材料面板100的中轴线Z2上，实现了天线的偏馈。另外馈源为传统的波纹喇叭。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，也可是PEC(理想电导体)反射面，当然也可以是金属涂层。本发明中，所述超材料面板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面板中与超材料面板的中轴线垂直的剖面。所述超材料面板的纵截面为方形、圆形或椭圆形，优选地，所述超材料面板的纵截面为方形，这样得到的超材料面板容易加工，例如300X300mm或450X450mm的正方形。圆形可以是直径为250、300或450mm的圆形。阻抗匹配层的作用是实现从空气到核心层10的阻抗匹配，以减少空气与超材料相接处的电磁波反射，降低电磁波能量的损失，提高***信号强度。

本发明中，所述核心层片层的折射率分布满足如下公式：

$n\left(r\right)=n_{\max }-\frac{\sqrt{r^2+s^2}-\mathrm{Vseg}}{D}---\left(1\right);$

Vseg＝s+λ*NUMseg  (2)；

$\mathrm{NUMseg}=\mathrm{floor}\left\{\frac{\sqrt{r^2+s^2}-s}{\mathrm{\λ}}\right\}---\left(3\right);$

$D=\frac{\mathrm{\λ}}{n_{\max }-n_{\min }}---\left(4\right);$

其中，n(r)表示核心层片层上半径为r处的折射率值；核心层片层的折射率分布圆心O1即为馈源等效点X在超材料面板外侧表面所在平面的投影，所述圆心O1与超材料面板的下边沿相距sy；

s为馈源等效点X到超材料面板的垂直距离；此处馈源的等效点X实际上就是天线的馈点(电磁波在馈源中发生聚焦的点)；馈源中轴线Z1与超材料面板100的中轴线Z2的夹角θ发生变化时，s也会发生细微变化。

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表示频率为天线中心频率的电磁波的波长；

floor表示向下取整，例如，当

(r处于某一数值范围)大于等于0小于1时，NUMseg取0，当

(r处于某一数值范围)大于等于1小于2时，NUMseg取1，依此类推。

由公式(1)至公式(4)所确定的超材料面板，能够使得馈源发出的电磁波经超材料面板后能够以平面波的形式出射；同样，如图1所示，由公式(1)至公式(4)所确定的超材料面板，能够使得卫星发出的电磁波(到达地面时可认为是平面波)经超材料面板后能够在馈源的等效点X处发生汇聚；当然，在接收卫星天线信号时，超材料面板的法线方向是朝向所要接收的卫星的，至于如何使得超材料面板的法线方向朝向所要接收信号的卫星，则涉及到传统的卫星天线调试的问题，即关于天线方位角与俯仰角的调节，其均为公知常识，此处不再述说。

本发明中，如图3所示，所述第一基材13包括片状的第一前基板131及第一后基板132，所述多个第一人造微结构12夹设在第一前基板131与第一后基板132之间。所述核心层片层的厚度为0.5-2mm，其中，第一前基板的厚度为0.5-1mm，第一后基板的厚度为0.5-1mm，多个第一人造微结构的厚度为0.01-0.5mm。优选地，所述核心层片层的厚度为0.543mm，其中，第一前基板及第一后基板的厚度均为0.254mm，多个第一人造微结构的厚度为0.035mm。

本发明中，所述阻抗匹配层片层的折射率分布满足如下公式：

$n_i\left(r\right)={n_{\min }}^{\frac{i}{m}}*n{\left(r\right)}^{\frac{m-i}{m}}---\left(5\right);$

其中，n_i(r)表示阻抗匹配层片层上半径为r处的折射率值，阻抗匹配层片层的折射率分布圆心即为馈源等效点在相应的阻抗匹配层片层外侧表面所在平面的投影；

其中，i表示阻抗匹配层片层的编号，靠近馈源的阻抗匹配层片层的编号为m，由馈源向核心层方向，编号依次减小，靠近核心层的阻抗匹配层片层的编号为1，m＝2；

上述的n_max、n_min分别与核心层片层的折射率的最大值、最小值相同；

具体地，由公式(5)所限定的阻抗匹配层，靠近核心层的阻抗匹配层片层的折射率分布为：

$n_1\left(r\right)={n_{\min }}^{\frac{1}{2}}\×n{\left(r\right)}^{\frac{1}{2}};$

靠近馈源的阻抗匹配层其折射率分布为：

n₂(r)＝n_min；

当然，阻抗匹配层并不限于此，所述每一阻抗匹配层片层也可以具有单一的折射率，多个阻抗匹配层片层的折射率满足以下公式：

$n\left(i\right)={((n_{\max }+n_{\min })/2)}^{\frac{i}{m}}---\left(6\right);$

其中，m表示阻抗匹配层的总层数，i表示阻抗匹配层片层的编号，其中，靠近核心层的阻抗匹配层片层的编号为m，m＝2。

具体地，由公式(6)所限定的阻抗匹配层，靠近核心层的阻抗匹配层片层的折射率分布为：

n(2)＝(n_max+n_min)/2；

靠近馈源的阻抗匹配层其折射率分布为：

$n\left(1\right)={((n_{\max }+n_{\min })/2)}^{\frac{1}{2}};$

本发明中，所述第二基材23包括片状的第二前基板231及第二后基板232，所述多个第二人造微结构夹设在第二前基板231与第二后基板232之间。所述阻抗匹配层片层的厚度为0.21-2.5mm，其中，第一前基板的厚度为0.1-1mm，第一后基板的厚度为0.1-1mm，多个第一人造微结构的厚度为0.01-0.5mm。优选地，所述阻抗匹配层片层的厚度为0.543mm，其中，第二前基板及第二后基板的厚度均为0.254mm，多个第二人造微结构的厚度为0.035mm。

本发明中，所述超材料面板任一纵截面具有相同的形状与面积，即核心层与匹配层具有相同的形状与面积的纵截面，此处的纵截面是指超材料面板中与超材料面板的中轴线垂直的剖面。所述超材料面板的纵截面为方形、圆形或椭圆形，优选地，所述超材料面板的纵截面为方形，这样得到的超材料面板容易加工。优选地，本发明的超材料面板的纵截面为边长为450mm的正方形。

在本发明的一个实施例中，所述偏馈式***天线有如下参数：

所述偏馈式***天线的中心频率为11.95GHZ；工作频段为11.7至12.2；

馈源等效点到超材料面板的垂直距离s为为276.8mm；

核心层片层的折射率分布圆心与超材料面板的下边沿的距离sy为22.3mm；

馈源中轴线与超材料面板法线方向所成的夹角θ为40度；

核心层片层的层数为2层，核心层的厚度d2为1.086mm；

阻抗匹配层片层的层数为2层，阻抗匹配层的厚度d1为1.086mm；

核心层片层的折射率的最大值n_max为5.575；

核心层片层的折射率的最小值n_min为1.6355。

具备上述参数的偏馈式***天线在作为发射天线使用时(即馈源作为辐射源，超材料面板的作用是将馈源发出的平面波经超材料面板后以平面波的形式出射)，如图12所示，可以看出出射波有很明显的平面波现象。

具备上述参数的偏馈式***天线在作为接收天线使用时(即馈源作为集波器，超材料面板的作用是将从卫星发出的电磁波(到达地面时可认为是平面波)经超材料面板后汇聚到馈源的点效点处)，如图13所示，可以看出在馈源等效点的位置有很明显的电磁波汇聚现象。

图12与图13所示的效果图可以通过CST、MATLAB、COMSOL等仿真软件得到。

馈源等效点X与超材料面板的相对位置由s、θ及sy共同确定，通常，馈源等效点是选在馈源中轴线Z1上，馈源等效点的位置与馈源的口径有关，例如可以是与馈源口径中点Y相距ds的位置(ds即为图1中的X点到Y点的距离)，作为一个实施例，所述ds等于5mm，实际上在设计中，ds与θ有关，随着θ的不同，馈源等效点X位置也不同，即ds有所不同，但是，馈源等效点仍然在馈源中轴线Z1上。

本发明中，所述第一人造微结构、第二人造微结构均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第一基材、第二基材。优选地，所述第一人造微结构、第二人造微结构均为图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，核心层片层可以通过如下方法得到，即在第一前基板与第一后基板的任意一个的表面上覆铜，再通过蚀刻的方法得到多个第一金属微结构(多个第一金属微结构的形状与排布事先通过计算机仿真获得)，最后将第一前基板与第一后基板分别压合在一起，即得到本发明的核心层片层，压合的方法可以是直接热压，也可以是利用热熔胶连接，当然也可是其它机械式的连接，例如螺栓连接。

同理，阻抗匹配层片层也可以利用相同的方法得到。然后分别将多个核心层片层压合一体，即形成了本发明的核心层；同样，将多个阻抗匹配层片层压合一体，即形成了本发明的阻抗匹配层；将核心层、阻抗匹配层、反射板压合一体即得到本发明的超材料面板。

本发明中，所述第一基材、第二基材由陶瓷材料、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F4B复合材料、FR-4复合材料等。

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7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，所述核心层片层11可以划分为阵列排布的多个如图2所示的超材料单元D，每个超材料单元D包括前基板单元U、后基板单元V及设置在基板单元U、后基板单元V之间的第一人造微结构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。图2为透视的画法，以表示第一人造微结构的超材料单元D中的位置，如图2所示，所述第一人造微结构夹于基板单元U、后基板单元V之间，其所在表面用SR表示。

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，在第一基材选定的情况下，利用只对电场响应的第一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5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片层11，同理可以得到阻抗匹配层片层的折射率分布。

本发明中，核心层片层的结构设计可通过计算机仿真(CST仿真)得到，具体如下：

(1)确定第一金属微结构的附着基材(第一基材)。例如介电常数为2.25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。本发明中，对应于11.95G的中心频率，所述超材料单元D为如图2所示的长CD与宽KD均为2.8mm、厚度HD为0.543mm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0.543mm，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7至图8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满足设计需要(即此变化范围包含了n_min-n_max的范围)。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，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(4)，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第一人造微结构在第一基材上的排布)，即能得到本发明的核心层片层。

同理，根据公式(5)-(6)可以得到本发明的阻抗匹配层片层。

图10是本发明另一种实施例的结构示意图。在本实施中，不同的是超材料面板100被分成四个单元板1000，每个单元板的纵截面为边长为200mm的正方形，四个单元板1000之间通过铰接的方式，可以折叠在一起。这样有利于天线的加工制造以及安装维护，多个单元板可拆卸的连接，或者多个单元板通过可转动的连接方式可以折叠，使得本发明的卫星天线在携带时，只占据很小的面积。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超材料平板。

(2)设计好超材料面板的整体结构参数，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超材料面板加工。

单元板，优选地采用同样的尺寸，这样方便叠在一起，单元板的数量可以根据需要设定。

多个单元板1000可拆卸的连接，例如可以是螺栓连接、粘接、卡扣连接等。本实施例中，优选地，多个单元板1000通过可转动的连接方式可以折叠。

另外，如图11所示，本发明还提供本发明还提供了一种***接收***，包括馈源1、连接馈源1的高频头30及与高频头30通过电缆连接的卫星接收机(图中未标示)以及本发明的偏馈式***天线TX，所述偏馈式***天线TX设置在馈源1的后方。本发明中，所述馈源1为传统的波纹喇叭。卫星接收机与高频头也均为现有的技术，此处不再述说。

另外，本发明中，所用高频头的输入频率为11.7～12.2GHz，输出频率为950～1450MHz，可收看大部分Ku波段***。例如同洲电子的CL11R一体化高频头。

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***信号。

另外，本发明中，如图11所示，***接收***还包括支撑天线的底座40及支撑馈源1与高频头30的支杆50，所述底座40包括座部401，用于卫星天线的放置；所述底座40还包括铰接头402及连接座部401与铰接头402的连接部403，所述超材料面板100的背部设置有铰接座60，铰接头402可绕铰接座60转动，用以调节天线的朝向(寻找卫星)；另外铰接座60与铰接头402在完成调节后，可用一螺栓定位。支杆30一端固定在超材料面板100的背部，另一端连接馈源1与高频头30。另外馈源也设置成与支杆50可转动的连接，以便于随时调整信号接收的方位。

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 (18)

1.一种偏馈式***天线，其特征在于，所述偏馈式***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、设置在核心层背对馈源的一侧表面的反射板及设置在核心层另一侧表面的阻抗匹配层，所述核心层包括厚度相同且折射率分布相同的两个核心层片层，每一个核心层片层包括片状的第一基材以及设置在第一基材上的多个第一人造微结构，所述阻抗匹配层包括厚度相同的两个阻抗匹配层片层，所述阻抗匹配层片层包括片状的第二基材以及设置在第二基材上的多个第二人造微结构，所述核心层片层的折射率分布满足如下公式：

$n\left(r\right)=n_{\max }-\frac{\sqrt{r^2+s^2}-\mathrm{Vseg}}{D};$

Vseg＝s+λ×NUMseg；

$\mathrm{NUMseg}=\mathrm{floor}\left\{\frac{\sqrt{r^2+s^2}-s}{\mathrm{\λ}}\right\};$

$D=\frac{\mathrm{\λ}}{n_{\max }-n_{\min }};$

其中，n(r)表示核心层片层上半径为r处的折射率值，核心层片层的折射率分布圆心即为馈源等效点在超材料面板外侧表面所在平面的投影，所述圆心位于超材料面板下边沿的下方，且与超材料面板的下边沿相距sy；

s为馈源等效点到超材料面板的垂直距离；

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表示频率为天线中心频率的电磁波的波长；

floor表示向下取整。

2.根据权利要求1所述的偏馈式***天线，其特征在于，所述第一基材包括片状的第一前基板及第一后基板，所述多个第一人造微结构夹设在第一前基板与第一后基板之间。

3.根据权利要求2所述的偏馈式***天线，其特征在于，所述核心层片层的厚度为0.21-2.5mm，其中，第一前基板的厚度为0.1-1mm，第一后基板的厚度为0.1-1mm，多个第一人造微结构的厚度为0.01-0.5mm。

4.根据权利要求3所述的偏馈式***天线，其特征在于，所述核心层片层的厚度为0.543mm，其中，第一前基板及第一后基板的厚度均为0.254mm，多个第一人造微结构的厚度为0.035mm。

5.根据权利要求1所述的偏馈式***天线，其特征在于，所述阻抗匹配层片层的折射率分布满足如下公式：

$n_i\left(r\right)={n_{\min }}^{\frac{i}{m}}\×n{\left(r\right)}^{\frac{m-i}{m}};$

其中，n_i(r)表示阻抗匹配层片层上半径为r处的折射率值，阻抗匹配层片层的折射率分布圆心即为馈源等效点在相应的阻抗匹配层片层外侧表面所在平面的投影；

其中，i表示阻抗匹配层片层的编号，靠近馈源的阻抗匹配层片层的编号为m，由馈源向核心层方向，编号依次减小，靠近核心层的阻抗匹配层片层的编号为1，m＝2；

上述的n_max、n_min分别与核心层片层的折射率的最大值、最小值相同。

6.根据权利要求1所述的偏馈式***天线，其特征在于，所述每一阻抗匹配层片层具有单一的折射率，多个阻抗匹配层片层的折射率满足以下公式：

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

其中，m表示阻抗匹配层的总层数，i表示阻抗匹配层片层的编号，其中，靠近核心层的阻抗匹配层片层的编号为m，m=2。

7.根据权利要求5或6所述的偏馈式***天线，其特征在于，所述第二基材包括片状的第二前基板及第二后基板，所述多个第二人造微结构夹设在第二前基板与第二后基板之间。

8.根据权利要求7所述的偏馈式***天线，其特征在于，所述阻抗匹配层片层的厚度为0.21-2.5mm，其中，第二前基板的厚度为0.1-1mm，第二后基板的厚度为0.1-1mm，多个第二人造微结构的厚度为0.01-0.5mm。

9.根据权利要求8所述的偏馈式***天线，其特征在于，所述阻抗匹配层片层的厚度为0.543mm，其中，第二前基板及第二后基板的厚度均为0.254mm，多个第二人造微结构的厚度为0.035mm。

10.根据权利要求5所述的偏馈式***天线，其特征在于，任一与所述超材料面板平行的截面具有相同的形状与面积。

11.根据权利要求10所述的偏馈式***天线，其特征在于，与所述超材料面板平行的截面为方形、圆形或椭圆形。

12.根据权利要求5或10所述的偏馈式***天线，其特征在于，所述超材料面板的下边沿与馈源的上端处于同一水平。

13.根据权利要求12所述的偏馈式***天线，其特征在于，所述偏馈式***天线的中心频率为11.95GHZ，其中：

馈源等效点到超材料面板的垂直距离s为276.8mm；

核心层片层的折射率分布圆心与超材料面板的下边沿的距离sy为22.3mm；

馈源中轴线与超材料面板法线方向所成的夹角θ为40度；

核心层片层的层数为2层，核心层的厚度d2为1.086mm；

阻抗匹配层片层的层数为2层，阻抗匹配层的厚度d1为1.086mm；

核心层片层的折射率的最大值n_max为5.575；

核心层片层的折射率的最小值n_min为1.6355。

14.根据权利要求1所述的偏馈式***天线，其特征在于，所述第一人造微结构及第二人造微结构均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第一基材及第二基材上。

15.根据权利要求14所述的偏馈式***天线，其特征在于，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。

16.根据权利要求15所述的偏馈式***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。

17.根据权利要求15所述的偏馈式***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。

18.一种***接收***，包括馈源、连接馈源的高频头及与高频头连接的卫星接收机，其特征在于，所述***接收***还包括如权利要求1至17任意一项所述的偏馈式***天线，所述偏馈式***天线设置在馈源的后方。

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