CN102761714A - 一种***接收*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种***接收***，包括太阳能电池板、贴附在太阳能电池板背阳面的超材料薄膜、馈源、与馈源连接的高频头、与高频头连接的无线发射机、接收无线发射机发出的信号的无线接收机及连接无线接收机的机顶盒，所述超材料薄膜包括第一基板及附着在第一基板上的多个人造微结构。根据本发明的***接收***，馈源和机顶盒之间的数据传输采用无线传输，不需要电缆复杂的走线，既方便又美观。用超材料薄膜代替传统的抛物面反射板，制造加工更加容易，成本更加低廉。

Description

一种***接收***

技术领域

本发明涉及通信领域，更具体地说，涉及一种***接收***。

背景技术

传统的卫星天线接收***是由抛物面反射板、馈源、高频头、卫星接收机组成的卫星地面接收站。抛物面反射板负责将卫星信号反射到位于焦点处的馈源和高频头内。馈源是在抛物面反射板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。

抛物面反射板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。

另外，馈源与接收机之间是通过电缆连接的，严重影响室内的空间布局。

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接收***的上述缺陷，提供一种不需要电缆的***接收***。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种***接收***，包括太阳能电池板、贴附在太阳能电池板背阳面的超材料薄膜、馈源、与馈源连接的高频头、与高频头连接的无线发射机、接收无线发射机发出的信号的无线接收机及连接无线接收机的机顶盒，所述超材料薄膜包括第一基板及附着在第一基板上的多个人造微结构。

进一步地，所述***接收***还包括与太阳能电池板电连接的蓄电池，所述蓄电池连接无线发射机以给其供电。

进一步地，所述第一基板贴附在太阳能电池板背阳面。

进一步地，以超材料薄膜的前表面为XY平面，以馈源等效点在该超材料薄膜前表面所在平面上的投影为坐标原点O，建立XOY的二维坐标系，该超材料薄膜上任一点（x，y）的折射率满足如下公式：

$n_{(x,y)}=n_{\max }-\frac{\sqrt{x^2+y^2+{z_o}^2}+(y_o-y)\×\sin \mathrm{\γ}-(s+\mathrm{k\λ})}{D};$

s=y_o×sinγ+z_o×cosγ；

$k=\mathrm{floor}\left\{\frac{\sqrt{x^2+y^2+{z_o}^2}+(y_o-y)\×\sin \mathrm{\γ}-(y_o\×\sin \mathrm{\γ}+z_o\×\cos \mathrm{\γ})}{\mathrm{\λ}}\right\};$

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

其中，

n_(x，y)表示该超材料薄膜上任一点（x，y）的折射率值；

z_o表示馈源等效点到该超材料薄膜前表面的垂直距离；

y_o表示该超材料薄膜的前表面边缘与y轴正方向的交点的y坐标值；

γ表示所要通信的卫星发出的电磁波到达地面后与该超材料薄膜法线方向的夹角；

n_max表示超材料薄膜的折射率的最大值；

n_min表示超材料薄膜的折射率的最小值；

λ表示频率为该超材料薄膜与馈源所构成的天线其中心频率的电磁波的波长；

D为超材料薄膜的厚度；

floor表示向下取整。

进一步地，所述超材料薄膜还包括覆盖在多个人造微结构上的第二基板。

进一步地，所述第一基板的厚度为0.1-1mm，所述第二基板的厚度为0.1-1mm，多个人造微结构的厚度为0.01-0.2mm。

进一步地，所述第一基板及第二基板由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。

进一步地，所述高分子材料包括聚苯乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚醚醚酮、聚四氟乙烯。

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，所述金属微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在第一基板上。

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。

根据本发明的***接收***，馈源和机顶盒之间的数据传输采用无线传输，不需要电缆复杂的走线，既方便又美观。用超材料薄膜代替传统的抛物面反射板，制造加工更加容易，成本更加低廉。另外，超材料薄膜贴在太阳能电池板的背阳面，不占空间。

附图说明

图1是本发明一种实施例中超材料薄膜与馈源的相对位置示意图；

图2是本发明的超材料薄膜其中一个超材料单元的透视示意图；

图3是本发明的一个实施例其超材料薄膜的结构示意图；

图4是本发明***接收***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为本发明的方形的超材料薄膜的平面示意图；

图11为本发明的圆形的超材料薄膜的平面示意图。

具体实施方式

如如图1及图4所示，本发明的***接收***包括太阳能电池板TY、贴附在太阳能电池板TY背阳面的超材料薄膜10、馈源KY、与馈源KY连接的高频头、与高频头连接的无线发射机FS、接收无线发射机FS发出的信号的无线接收机JS及连接无线接收机JS的机顶盒JDH。

本发明中，所述馈源KY与高频体一体化。例如可以是同洲电子的CL11R一体化高频头，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***。

机顶盒，例如可以采用同洲电子的N6188，用于接收中星9号的***信号。

无线发射机FS将高频头传来的数据通过无线的方式传输给无线接收机JS，无线接收机JS将接收到的数据传给机顶盒JDH，整个***不需要复杂的走线。

另外，可以将本体化馈源集成在无线发射机FS上；将无线接收机JS集成在机顶盒上，这样更加的简洁，并且馈源完全省略了支架。只需要将馈源放在超材料薄膜10的焦点位置即可。

另外，所述***接收***还包括与太阳能电池板TY电连接的蓄电池BT，所述蓄电池BT连接无线发射机FS以给无线发射机FS及一体化的高频头供电。

本实施例中，所述超材料薄膜10包括第一基板1、附着在第一基板1上的多个人造微结构3及覆盖在多个人造微结构3上的第二基板2。所述第一基板1贴附在太阳能电池板TY背阳面。超材料薄膜10可以利用胶水粘贴在太阳能电池板上。

本发明中，所述第一基板的厚度为0.1-1mm，所述第二基板的厚度为0.1-1mm，多个人造微结构的厚度为0.01-0.2mm。

本发明中，所述第一基板及第二基板由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。

本发明中，高分子材料包括聚苯乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚醚醚酮、聚四氟乙烯。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，如图1、图10至11所示，以超材料薄膜10的前表面为XY平面，以馈源等效点在该超材料薄膜前表面所在平面上的投影为坐标原点O，建立XOY的二维坐标系，优选地，例如，超材料薄膜为方形时，y轴垂直平分其经过的超材料薄膜的两边缘；超材料薄膜为圆形时，y轴与其直径重合；超材料薄膜为椭圆形时，y轴与其长轴重合；该超材料薄膜10上任一点（x，y）的折射率满足如下公式：

$n_{(x,y)}=n_{\max }-\frac{\sqrt{x^2+y^2+{z_o}^2}+(y_o-y)\×\sin \mathrm{\γ}-(s+\mathrm{k\λ})}{D}---\left(1\right);$

s=y_o×sinγ+z_o×cosγ（2）；

$k=\mathrm{floor}\left\{\frac{\sqrt{x^2+y^2+{z_o}^2}+(y_o-y)\×\sin \mathrm{\γ}-(y_o\×\sin \mathrm{\γ}+z_o\×\cos \mathrm{\γ})}{\mathrm{\λ}}\right\}---\left(3\right);$

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

图1是馈源的中轴线Z1与所要通信的地球同步卫星（等效为一点）所构成的平面剖切本实施例的***接收***中的超材料薄膜及馈源两部分所得到的剖视图，也即y轴与馈源中轴线所构成的平面剖切本实施例的***接收***中的超材料薄膜及馈源两部分所得到的剖视图。

其中，

n_(x，y)表示该超材料薄膜上任一点（x，y）的折射率值；

z_o表示馈源等效点到该超材料薄膜前表面的垂直距离；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与超材料薄膜前表面的夹角为θ，本实施例中，馈源的等效点X在馈源中轴线Z1上，假定馈源口径中点到馈源的等效点X的距离为ds，可以通过变动ds、θ这两个变参（即让馈源扫描最佳位置），使得汇聚效果最优；

y_o表示该超材料薄膜的前表面边缘与y轴正方向的交点的y坐标值；如图10所示，超材料薄膜为方形，y_o即为图中的ＯＡ线段的长度。如图11所示，超材料薄膜为圆形，y_o即为图中的ＯＡ线段的长度。

γ表示所要通信的卫星发出的电磁波到达地面后与该超材料薄膜法线Z2方向的夹角。

n_max表示超材料薄膜的折射率的最大值；

n_min表示超材料薄膜的折射率的最小值；

λ表示频率为该超材料薄膜与馈源所构成的天线其中心频率的电磁波的波长；

D为超材料薄膜的厚度；

floor表示向下取整。

例如，当 $\frac{\sqrt{x^2+y^2+{z_o}^2}+(y_o-y)\×\sin \mathrm{\γ}-(y_o\×\sin \mathrm{\γ}+z_o\×\cos \mathrm{\γ})}{\mathrm{\λ}}$ 大于等于0小于1时，k取0；当 $\frac{\sqrt{x^2+y^2+{z_o}^2}+(y_o-y)\×\sin \mathrm{\γ}-(y_o\×\sin \mathrm{\γ}+z_o\×\cos \mathrm{\γ})}{\mathrm{\λ}}$ 大于等于1小于2时，k取1，依此类推。

由公式（1）至公式（4）所确定的超材料薄膜，能够使得馈源发出的电磁波通过超材料薄膜后能够以与水平面呈γ角的平面波的形式出射；同样，如图1所示，由公式（1）至公式（4）所确定的超材料薄膜，能够使得所要通信的卫星发出的电磁波（到达地面时可认为是与水平面夹角为γ的平面波）经超材料薄膜后能够在馈源的等效点X处发生汇聚。

本发明中，所述第一基板的厚度为0.1-1mm，所述第二基板的厚度为0.1-1mm，多个人造微结构的厚度为0.01-0.2mm。

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，金属微结构可以通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法得到。例如，可以在第一基板上覆上一定厚度的铜膜或银膜，再利用蚀刻的方法去掉多个人造微结构以外的部分铜膜或银膜（利用化学溶液溶解腐蚀），即能得到附着在第一基板上的多个人造微结构。

本发明中，所述人造微结构为如图5所示的平面雪花状的金属微结构，所述的平面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。

本实施例中，所述超材料薄膜10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之间的人造微结构3，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，以表示人造微结构的超材料单元D中的位置，如图2所示，所述人造微结构夹于前基板单元U、后基板单元V之间，其所在表面用SR表示。所有的前基板单元即构成第二基板，同样，所有的后基板单元即构成第一基板。

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，在第一基板及第二基板选定的情况下，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超材料薄膜10。

本实施例中，超材料薄膜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材（第一基板）。

（2）确定超材料单元的尺寸。超材料单元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的天线中心频率，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（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人造微结构在第一基板上的排布），即能得到本发明的超材料薄膜。

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***接收***，其特征在于，包括太阳能电池板、贴附在太阳能电池板背阳面的超材料薄膜、馈源、与馈源连接的高频头、与高频头连接的无线发射机、接收无线发射机发出的信号的无线接收机及连接无线接收机的机顶盒，所述超材料薄膜包括第一基板及附着在第一基板上的多个人造微结构。

2.根据权利要求1所述的***接收***，其特征在于，所述***接收***还包括与太阳能电池板电连接的蓄电池，所述蓄电池连接无线发射机以给其供电。

3.根据权利要求1所述的***接收***，其特征在于，所述第一基板贴附在太阳能电池板背阳面。

4.根据权利要求1所述的***接收***，其特征在于，以超材料薄膜的前表面为XY平面，以馈源等效点在该超材料薄膜前表面所在平面上的投影为坐标原点O，建立XOY的二维坐标系，该超材料薄膜上任一点（x，y）的折射率满足如下公式：

$n_{(x,y)}=n_{\max }-\frac{\sqrt{x^2+y^2+{z_o}^2}+(y_o-y)\×\sin \mathrm{\γ}-(s+\mathrm{k\λ})}{D};$

s=y_o×sinγ+z_o×cosγ；

$k=\mathrm{floor}\left\{\frac{\sqrt{x^2+y^2+{z_o}^2}+(y_o-y)\×\sin \mathrm{\γ}-(y_o\×\sin \mathrm{\γ}+z_o\×\cos \mathrm{\γ})}{\mathrm{\λ}}\right\};$

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

其中，

n_(x，y)表示该超材料薄膜上任一点（x，y）的折射率值；

z_o表示馈源等效点到该超材料薄膜前表面的垂直距离；

y_o表示该超材料薄膜的前表面边缘与y轴正方向的交点的y坐标值；

γ表示所要通信的卫星发出的电磁波到达地面后与该超材料薄膜法线方向的夹角；

n_max表示超材料薄膜的折射率的最大值；

n_min表示超材料薄膜的折射率的最小值；

λ表示频率为该超材料薄膜与馈源所构成的天线其中心频率的电磁波的波长；

D为超材料薄膜的厚度；

floor表示向下取整。

5.根据权利要求1所述的超材料卫星天线，其特征在于，所述超材料薄膜还包括覆盖在多个人造微结构上的第二基板。

6.根据权利要求5所述的***接收***，其特征在于，所述第一基板的厚度为0.1-1mm，所述第二基板的厚度为0.1-1mm，多个人造微结构的厚度为0.01-0.2mm。

7.根据权利要求6所述的***接收***，其特征在于，所述第一基板及第二基板由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。

8.根据权利要求7所述的超材料，其特征在于，所述高分子材料包括聚苯乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚醚醚酮、聚四氟乙烯。

9.根据权利要求1所述的***接收***，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，所述金属微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在第一基板上。

10.根据权利要求9所述的***接收***，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。

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