CN102769173B - 一种便携式超材料平板卫星天线及其卫星天线接收*** - Google Patents

Abstract

本发明公开一种便携式超材料平板卫星天线，其包括信号接收器、信号接收器支架、平板超材料、平板超材料固定架、第一固定支撑框、可收纳于第一固定支撑框内的第二固定支撑框、连杆；第一固定支撑框与第二固定支撑框与所述平板超材料固定架可旋转连接；第二固定支撑框上形成中空滑槽，连杆一端固定于第一固定支撑框上，另一端可滑动的固定于中空滑槽内；平板超材料包括一个核心层片层或多个相同的核心层片层，每一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。根据本发明的便携式超材料平板卫星天线，其将传统的抛物面形状的反射面更改为以超材料技术制备的平板超材料，可以很方便地调整天线仰角，并且小巧便于携带。

Description

一种便携式超材料平板卫星天线及其卫星天线接收***

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种便携式超材料平板卫星天线及其卫星天线接收***。 

背景技术

传统的卫星天线接收***是由抛物面反射板、信号接收器、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信号接收器内。信号接收器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。 

接收卫星信号时，平行的电磁波通过抛物面反射板反射后，汇聚到信号接收器内。 

但是由于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。同时抛物面形状的反射面也带来不易携带、运输不方便以及占用空间较大的问题。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述不足，提出一种加工制造容易、成本较低、便于携带且占用空间较小的便携式超材料平板卫星天线。 

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，提出一种便携式超材料平板卫星天线，其包括信号接收器、信号接收器支架、平板超材料、平板超材料固定架、第一固定支撑框、可收纳于所述第一固定支撑框内的第二固定支撑框、连杆；所述第一固定支撑框与第二固定支撑框与所述平板超材料固定架可旋转连 接；所述第二固定支撑框上形成中空滑槽，所述连杆一端固定于第一固定支撑框上，另一端可滑动的固定于所述中空滑槽内；所述平板超材料包括一个核心层片层或多个相同的核心层片层，每一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。 

进一步地，所述平板超材料固定架包括包覆平板超材料四边的边框以及设置于平板超材料背部的十字形固定条，所述信号接收器支架一端固定于所述固定条上，另一端支撑所述信号接收器。 

进一步地，所述第一固定支撑框包括两条第一支撑边以及第一底边，第二固定支撑框包括两条第二支撑边以及第二底边；所述边框的两相对边上还设置有三角形连接件，旋紧螺丝穿过第一支撑边、第二支撑边以及三角形连接件将第一支撑边、第二支撑边以及三角形连接件可旋转固定连接。 

进一步地，所述第一支撑框与第二支撑框在使用时所成角度为30°至60°。 

进一步地，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信号接收器等效点在该核心层片层所在平面的投影； 

s为信号接收器等效点到平板超材料的垂直距离； 

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，所述核心层的厚度为Dh，2Dh＝D。 

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，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，所述超材料平面反射板还包括设置在核心层另一侧表面的阻抗匹配层，所述阻抗匹配层包括一个阻抗匹配层片层或多个厚度相同的阻抗匹配层片层，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，所述一个或多个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信号接收器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，靠近信号接收器的阻抗匹配层片层的编号为m，由信号接收器向核心层方向，编号依次减小，靠近核心层的阻抗匹配层片层的编号为1； 

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，所述核心层的厚度为Dh，所述阻抗匹配层的厚度为Dz，Dz+2Dh=D。 

进一步地，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，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，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。 

本发明还提供一种卫星天线接收***，包括连接信号接收器的卫星接收机，所述卫星天线接收***还包括上述的超材料平板卫星天线。 

根据本发明的便携式超材料平板卫星天线，其将传统的抛物面形状的反射面更改为以超材料技术制备的平板超材料，可以很方便地调整天线仰角，并且小巧便于携带。并且，由片状的超材料平面反射板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，依此设计的平板超材料整体厚度在毫米级别，相当的轻薄。 

附图说明

图1为本发明便携式超材料平板卫星天线的一视角立体结构示意图； 

图2为本发明便携式超材料平板卫星天线的另一视角立体结构示意图； 

图3为本发明的平板超材料汇聚电磁波的示意图； 

图4为本发明的核心层片层的结构示意图； 

图5为本发明的阻抗匹配层片层的结构示意图； 

图6为本发明的平面雪花状的金属微结构的示意图； 

图7为图6所示平面雪花状的金属微结构的一种衍生结构； 

图8为图6所示平面雪花状的金属微结构的一种变形结构； 

图9为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10为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11为平面雪花状的金属微结构的拓扑形状的演变的第二阶段。 

具体实施方式

请参照图1、图2所示，图1为本发明便携式超材料平板卫星天线的一视角立体结构示意图，图2为本发明便携式超材料平板卫星天线的另一视角立体结构示意图。本发明便携式超材料平板卫星天线包括信号接收器1、信号接收器支杆2、平板超材料3、平板超材料固定架4、第一固定支撑框5、可收纳于第一固定支撑框5内部的第二固定支撑框6、连杆7。第一固定支撑框5与第二固定支撑框6与平板超材料固定架4可旋转连接；第二固定支撑框6上形成中空滑槽600，连杆7一端固定于第一固定支撑框5上，另一端可滑动的固定于所述中空滑槽600内。 

本实施例中，平板超材料固定架4包括包覆平板超材料3四边的边框40以及设置于平板超材料3背部的十字形固定条41。信号接收器支杆2一端固定于固定条41上，另一端支撑信号接收器1。 

第一固定支撑框5包括两条第一支撑边50以及第一底边51；第二固定支撑框6包括两条第二支撑边60以及第二底边61。在边框40的两相对边上还设置有三角形连接件400，旋紧螺丝8穿过第一支撑边50、第二支撑边60和三角形连接件400后将三者可旋转固定连接。优选地，在旋紧螺丝8螺杆上还套设有弹性垫圈9以将第一支撑边50和第二支撑边60隔离开。两条第二支撑边60上均形成有中空滑槽600，两条连杆7一端固定于第一支撑边50上，另一端可滑动的固定于中空滑槽600内。 

如图3、图4所示，图3为本发明便携式超材料平板卫星天线使用状态示意图，图4为本发明便携式超材料平板卫星天线收纳时示意图。在使用时，将第二固定支撑框6从第一固定支撑框5内滑出使二者呈一定角度支撑于支撑面。二者所成角度取决于中空滑槽600的长度以及连杆7的长度，优选地，二者所呈角度为30°至60°，此时支撑效果最好。另外，为了防止第一固定支撑框5 和第二固定支撑框6滑动，还在第一底边51和第二底边61上设置有多个防滑圈510。另外，在使用时，平板超材料3可沿着旋紧螺丝8形成的转动轴转动以调节平板超材料3的接收角度，使得接收信号更好。当不需要使用本发明卫星天线时，将第二固定支撑框6收纳入第一固定支撑框5内同时将平板超材料3旋转至与第一、第二固定框平行位置，将信号接收器1和信号接收器支杆2拆下另外放置，此时卫星天线整体呈平板状，占用空间少且便于运输和携带。 

下面详细介绍本发明中平板超材料3的结构和设计方法。如图3、图4、图5所示。平板超材料3包括核心层30、设置在核心层30一侧表面的反射层31以及设置在核心层另一侧表面的阻抗匹配层32。所述核心层30包括一个核心层片层300或者厚度相同且折射率分布相同的多个核心层片层300，所述核心层片层300包括片状的第一基材301以及设置在第一基材301上的多个第一人造微结构302，所述阻抗匹配层32包括一个阻抗匹配层320或厚度相同的多个阻抗匹配层320，所述阻抗匹配层320包括片状的第二基材321以及设置在第二基材321上的多个第二人造微结构322。信号接收器1中轴线Z1与平板超材料3平面的中轴线Z2具有一定的夹角θ，即图3中的中轴线Z1与直线Z3的夹角（Z3为Z1的平行线），信号接收器1不在平板超材料平面的中轴线Z2上，实现天线的偏馈。本实施例中，反射层31可为具有光滑表面的金属反射板，例如可以是抛光的铜板、铝板或铁板等，也可以是PEC（理想电导体）反射面，当然也可以是金属涂层，例如铜涂层等。本发明中，所述平板超材料任一纵截面具有相同的形状与面积，此处的纵截面是指平板超材料3中与平板超材料的中轴线垂直的剖面。所述平板超材料的纵截面为方形、圆形或椭圆形，图1至图4中，所述平板超材料的纵截面为方形，这样平板超材料易于加工。 

本实施例中，如图3所示，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即为信号接收器等效点X在该核心层片层外侧表面所在平面的投影，所述圆心O1与该核心层片层的下边沿相距sy（sy为正时，表示圆心O1在该核心层片层的外面；sy为负时，表示圆心O1在该核心层片层上），更为优选地，当核心层片层为方形时，圆心O1与该核心层片层的下边沿中点的连线垂直该核心层片层的下边沿；当核心层片层为圆形时，圆心O1与该核心层片层的下边沿顶点的连线在圆形的半径上；当核心层片层为椭圆形时，圆心O1与该核心层片层的下边沿顶点的椭圆形的长轴上。 

s为信号接收器1等效点X到超材料平面反射板的垂直距离；此处信号接收器1的等效点X实际上就是天线的馈点（电磁波在信号接收器1中发生聚焦的点）；信号接收器1中轴线Z1与平板超材料3的中轴线Z2的夹角θ发生变化时，s也会发生细微变化。 

信号接收器等效点X与平板超材料的相对位置由s、θ及sy共同确定，通常，信号接收器1等效点X是选在信号接收器中轴线Z1上，信号接收器1等效点X的位置与信号接收器1的口径有关，例如可以是与信号接收器1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，信号接收器1等效点X位置也不同，即ds有所不同，但是，信号接收器1等效点仍然在信号接收器1中轴线Z1上。 

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； 

D为平板超材料的等效厚度，本实施例中，优选地，等效厚度D等于阻抗匹配层的厚度加上两倍的核心层的厚度，即： 

设核心层的厚度为Dh，阻抗匹配层的厚度为Dz，则有Dz+2Dh＝D； 

核心层片层与阻抗匹配层片层的数量可以根据不同需要设定，例如，可以是三个核心层片层，六个阻抗匹配层片层；也可是两个核心层片层，四个阻抗匹配层片层；也可是两个核心层片层，三个阻抗匹配层片层；也可是两个核心层片层，两个阻抗匹配层片层；也可是一个核心层片层，一个阻抗匹配层片层。 

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）所确定的平板超材料能够使得卫星发出的电磁波（到达地面时可认为是平面波，且垂直入射）经平板超材料响应和反射后能够在信号接收器的等效点X处发生汇聚；当然，在接收卫星天线信号时，平板超材料的法线方向是朝向所要接收的卫星的，至于如何使得平板超材料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，此处不再赘述。 

本实施例中，如图4所示，所述第一基材301包括片状的第一前基板3011及第一后基板3012，所述多个第一人造微结构302夹设在第一前基板3011与第一后基板3012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1.018mm，其中，第一前基板及第一后基板的厚度均为0.5mm，多个第一人造微结构的厚度为0.018mm。 

本实施例中，所述一个或多个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信号接收器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，优选地，阻抗匹配层片层的折射率分布圆心与核心层片层的折射率分布圆心的连线垂直平板超材料3； 

其中，i表示阻抗匹配层片层的编号，靠近信号接收器的阻抗匹配层片层的编号为m，由信号接收器向核心层方向，编号依次减小，靠近核心层的阻抗匹配层片层的编号为1； 

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，例如m=2，则由公式（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： 

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

靠近信号接收器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，所述一个或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。 

具体地，例如m=2，则由公式（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； 

靠近信号接收器的阻抗匹配层其折射率分布为： 

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

本实施例中，如图5所示，所述第二基材321包括片状的第二前基板3211及第二后基板3212，所述多个第二人造微结构322夹设在第二前基板3211与第二后基板3212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1.018mm，其中，第二前基板及第二后基板的厚度均为0.5mm，多个第二人造微结构的厚度为0.018mm。 

本实施例中，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6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。 

本实施例中，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、反射层压合一体即得到本发明的平板超材料。 

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、PS（聚苯乙烯）等。 

图6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7是图6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8是图6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。 

本实施例中，所述核心层片层11可以划分为阵列排布的多个如图9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302，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9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9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6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。 

本实施例中，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）确定第一人造微结构的附着基材（第一基材）。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作为超材料单元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1.018mm的方形小板。 

（3）确定人造微结构的材料及拓扑结构。本发明中，人造微结构的材料为铜，人造微结构的拓扑结构为图6所示的平面雪花状的人造微结构，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）确定人造微结构的拓扑形状参数。如图6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）确定人造微结构的拓扑形状的演变限制条件。本发明中，人造微结构的拓扑形状的演变限制条件有，人造微结构之间的最小间距WL（即如图6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），人造微结构的线宽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，此时人造微结构的拓扑形状参数只有a和b两个变量。人造微结构的拓扑形状通过如图10至图11 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6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10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11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（6），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，可以得到本发明的阻抗匹配层片层。 

本发明的另一种实施例中，所述平板超材料不具有阻抗匹配层，在该实施例中，所述核心层的厚度为Dh，2Dh＝D。其它的与上述的实施例相同。 

另外，本发明还提供一种卫星天线接收***，包括连接与信号接收器1电连接的卫星接收机（图中未标示）以及本发明的便携式卫星天线。卫星接收机为现有的技术，此处不再述说。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。 

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)

1.一种便携式超材料平板卫星天线，其特征在于：包括信号接收器、信号接收器支架、平板超材料、平板超材料固定架、第一固定支撑框、可收纳于所述第一固定支撑框内的第二固定支撑框、连杆；所述第一固定支撑框与第二固定支撑框与所述平板超材料固定架可旋转连接；所述第二固定支撑框上形成中空滑槽，所述连杆一端固定于第一固定支撑框上，另一端可滑动的固定于所述中空滑槽内；所述平板超材料包括一个核心层片层或多个相同的核心层片层，每一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信号接收器等效点在该核心层片层所在平面的投影；

s为信号接收器等效点到平板超材料的垂直距离；

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.如权利要求1所述的超材料平板卫星天线，其特征在于：所述平板超材料固定架包括包覆平板超材料四边的边框以及设置于平板超材料背部的十字形固定条，所述信号接收器支架一端固定于所述固定条上，另一端支撑所述信号接收器。

3.如权利要求2所述的超材料平板卫星天线，其特征在于：所述第一固定支撑框包括两条第一支撑边以及第一底边，第二固定支撑框包括两条第二支撑边以及第二底边；所述边框的两相对边上还设置有三角形连接件，旋紧螺丝穿过第一支撑边、第二支撑边以及三角形连接件将第一支撑边、第二支撑边以及三角形连接件可旋转固定连接。

4.如权利要求3所述的超材料平板卫星天线，其特征在于：所述第一支撑框与第二支撑框在使用时所成角度为30°至60°。

5.根据权利要求1所述的超材料平板卫星天线，其特征在于，所述核心层的厚度为Dh，2Dh＝D。

6.根据权利要求1所述的超材料平板卫星天线，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，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。

7.根据权利要求1所述的超材料平板卫星天线，其特征在于，所述超材料平面反射板还包括设置在核心层另一侧表面的阻抗匹配层，所述阻抗匹配层包括一个阻抗匹配层片层或多个厚度相同的阻抗匹配层片层，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，所述一个或多个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信号接收器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，靠近信号接收器的阻抗匹配层片层的编号为m，由信号接收器向核心层方向，编号依次减小，靠近核心层的阻抗匹配层片层的编号为1；

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。

8.根据权利要求7所述的超材料平板卫星天线，其特征在于，所述核心层的厚度为Dh，所述阻抗匹配层的厚度为Dz，Dz+2Dh＝D。

9.根据权利要求7所述的超材料平板卫星天线，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，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。

10.根据权利要求1所述的超材料平板卫星天线，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，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。

11.一种卫星天线接收***，包括连接信号接收器的卫星接收机，其特征在于，所述卫星天线接收***还包括如权利要求1至10任意一项所述的超材料平板卫星天线。