偏置后馈式卫星电视天线及卫星电视收发系统

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偏置后馈式卫星电视天线及卫星电视收发系统
申请号	CN201210133101.7	申请日	2012-04-28	公开(公告)号	CN102751583A	公开(公告)日	2012-10-24
申请人	深圳光启创新技术有限公司;			发明人	刘若鹏; 季春霖; 岳玉涛; 李雪; 黄新政;
摘要	本发明公开了一种偏置后馈式卫星电视天线，让位于一侧的卫星电视信号透过而被位于另一侧的卫星电视信号收发器所接收或让由位于一侧的卫星电视信号收发器产生的卫星电视信号透过而从另一侧发出，所述偏置后馈式卫星电视天线包括固定于房屋窗户的超材料面板，所述超材料面板包括核心层，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，每个核心层片层包括叠加在一起的呈片状的第一基材、第二基材以及置于所述第一基材和第二基材之间的多个人造微结构。根据本发明的偏置后馈式卫星电视天线，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，成本更加低廉，且产品的一致性高。本发明还提供了一种卫星电视收发系统。
权利要求	1.一种偏置后馈式卫星电视天线，其特征在于，所述偏置后馈式卫星电视天线让位于一侧的卫星电视信号透过而被位于另一侧的卫星电视信号收发器所接收或让由位于一侧的卫星电视信号收发器产生的卫星电视信号透过而从另一侧发出，包括固定于房屋窗户的超材料面板，所述超材料面板包括核心层，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，每个核心层片层包括叠加在一起的呈片状的第一基材、第二基材以及置于所述第一基材和第二基材之间的多个人造微结构；以卫星和与卫星电视信号收发器相同频率、相同相位中心建立的等效虚拟点源在所述核心层片层上的两投影点连成一条直线作为y轴，以指向卫星的方向为y轴的正向，将y轴上的任意一点作为原点O，以通过原点O并垂直于y轴的直线为x轴、以通过原点O并垂直于所述核心层片层的直线为z轴，且以指向卫星的方向为z轴的正向，建立xyz三维直角坐标系，则所述核心层片层上任意一点的折射率n(x，y，0)为：dis＝d1+d2， d2＝sinγ(L/2-y)， vsegment＝ss+λnumsegment， ss＝sinγ(L/2-ysource)-cosγzsource，其中，L表示核心层片层在yoz坐标面上的有效长度； nmax表示核心层片层的折射率的最大值； nmin表示核心层片层的折射率的最小值； λ表示卫星电视信号的波长； γ表示卫星电视信号在核心层片层表面入射时与核心层片层法线所成的夹角； floor表示向下取整； (0，ysource，zsource)表示等效虚拟点源的坐标。 2.根据权利要求1所述的偏置后馈式卫星电视天线，其特征在于，所述核心层片层的第一基材、第二基材均由聚苯乙烯制成。 3.根据权利要求1所述的偏置后馈式卫星电视天线，其特征在于，所述核心层片层的第一基材和第二基材的厚度均为0.5mm。 4.根据权利要求1所述的偏置后馈式卫星电视天线，其特征在于，所述核心层片层中，每个人造微结构及其所在的第一基材和第二基材部分称为一个超材料单元，所述超材料单元是一长、宽均等于2.8mm的方形区域。 5.根据权利要求1所述的偏置后馈式卫星电视天线，其特征在于，所述人造微结构是金属线构成的呈平面雪花状的金属微结构。 6.根据权利要求5所述的偏置后馈式卫星电视天线，其特征在于，所述金属微结构的厚度为0.018mm。 7.根据权利要求5所述的偏置后馈式卫星电视天线，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形成在所述基材上。 8.根据权利要求5所述的偏置后馈式卫星电视天线，其特征在于，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。 9.一种卫星电视收发系统，包括卫星电视信号收发器及与卫星电视信号收发器电性连接的信号转换机，其特征在于，所述卫星电视收发系统还包括如权利要求1至8中任意一项所述的偏置后馈式卫星电视天线，所述卫星电视信号收发器位于所述偏置后馈式卫星电视天线上与卫星电视信号入射侧相对的另一侧。 10.根据权利要求9所述的卫星电视收发系统，其特征在于，所述卫星电视信号收发器包括输入频率为11.7～12.2GHz、输出频率为950～1450MHz的高频头。
说明书全文	偏置后馈式卫星电视天线及卫星电视收发系统技术领域 [0001] 本发明涉及通信领域，更具体地说，涉及一种偏置后馈式卫星电视天线及其卫星电视收发系统。背景技术 [0002] 传统的卫星电视接收系统是由抛物面天线、高频头、信号转换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高频头内。高频头LNB（亦称降频器）是将卫星信号进行降频和信号放大然后传送至信号转换机。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信号转换机的解调和工作。信号转换机是将高频头输送来的卫星信号进行解调，解调出卫星电视图像或数字信号和伴音信号。 [0003] 接收卫星信号时，平行的电磁波（平面波）通过抛物面天线反射后，汇聚到高频头上。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、成本较高，且产品的一致性较差。发明内容 [0004] 本发明所要解决的技术问题是，针对现有的卫星电视天线加工不易、成本高且产品一致性较差的缺陷，提供一种加工简单、制造成本低及产品一致性高的偏置后馈式卫星电视天线。 [0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种偏置后馈式卫星电视天线，让位于一侧的卫星电视信号透过而被位于另一侧的卫星电视信号收发器所接收或让由位于一侧的卫星电视信号收发器产生的卫星电视信号透过而从另一侧发出，包括固定于房屋窗户的超材料面板，所述超材料面板包括核心层，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，每个核心层片层包括叠加在一起的呈片状的第一基材、第二基材以及置于所述第一基材和第二基材之间的多个人造微结构；以卫星和与卫星电视信号收发器相同频率、相同相位中心建立的等效虚拟点源在所述核心层片层11上的两投影点连成一条直线作为y轴，以指向卫星的方向为y轴的正向，将y轴上的任意一点作为原点O，以通过原点O并垂直于y轴的直线为x轴、以通过原点O并垂直于所述核心层片层的直线为z轴，且以指向卫星的方向为z轴的正向，建立xyz三维直角坐标系，则所述核心层片层上任意一点的折射率n（x，y，0）为： [0006] [0007] dis=d1+d2, [0008] [0009] d2=sinγ(L/2-y), [0010] vsegment=ss+λnumsegment, [0011] ss=sinγ(L/2-ysource)-cosγzsource, [0012] [0013] [0014] 其中，L表示核心层片层在yoz坐标面上的有效长度； [0015] nmax表示核心层片层的折射率的最大值； [0016] nmin表示核心层片层的折射率的最小值； [0017] λ表示卫星电视信号的波长； [0018] γ表示卫星电视信号在核心层片层表面入射时与核心层片层法线所成的夹角； [0019] floor表示向下取整； [0020] (0，ysource，zsource)表示等效虚拟点源的坐标。 [0021] 进一步地，所述核心层片层的第一基材、第二基材均由聚苯乙烯制成。 [0022] 进一步地，所述核心层片层的第一基材和第二基材的厚度均为0.5mm。 [0023] 进一步地，所述核心层片层中，每个人造微结构及其所在的第一基材和第二基材部分称为一个超材料单元，所述超材料单元是一长、宽均等于2.8mm的方形区域。 [0024] 进一步地，所述人造微结构是金属线构成的呈平面雪花状的金属微结构。 [0025] 进一步地，所述金属微结构的厚度为0.018mm。 [0026] 进一步地，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形成在所述基材上。 [0027] 进一步地，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。 [0028] 根据本发明的偏置后馈式卫星电视天线，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，成本更加低廉，且产品的一致性高，同时，本发明的偏置后馈式卫星电视天线固定于窗户，可延长其使用寿命。 [0029] 另外，本发明还提供了一种卫星电视收发系统。 [0030] 一种卫星电视收发系统，包括卫星电视信号收发器、与卫星电视信号收发器电性连接的信号转换机和偏置后馈式卫星电视天线，所述卫星电视信号收发器位于所述偏置后馈式卫星电视天线上与卫星电视信号入射侧相对的另一侧，所述偏置后馈式卫星电视天线包括固定于房屋窗户的超材料面板。 [0031] 进一步地，所述卫星电视信号收发器是输入频率为11.7～12.2GHz的高频头。附图说明 [0032] 图1是本发明一实施例中的偏置后馈式卫星电视天线的结构示意图； [0033] 图2是本发明的核心层片层的结构示意图； [0034] 图3是本发明的核心层片层中的一个超材料单元的透视示意图； [0035] 图4是本发明的平面雪花状的金属微结构的示意图； [0036] 图5和图6是本发明的一个长、宽均为L的核心层片层的示意图，其中建立了三维直角坐标系xyz； [0037] 图7是图4中的平面雪花状的金属微结构的拓扑形状的演变的第一阶段； [0038] 图8是图4中的平面雪花状的金属微结构的拓扑形状的演变的第二阶段； [0039] 图9是图4所示的平面雪花状的金属微结构的一种衍生结构； [0040] 图10是图4所示的平面雪花状的金属微结构的一种变形结构； [0041] 图11是本发明一实施例中的卫星电视收发系统的结构示意图。具体实施方式 [0042] 如图1所示，为本发明一实施例的偏置后馈式卫星电视天线的结构示意图，所述偏置后馈式卫星电视天线包括超材料面板100，可呈方形、圆形或椭圆形等任意形状，如图1中所示的超材料面板100呈方形。所述超材料面板100包括核心层10。 [0043] 请继续参考图2至图4，所述核心层10包括多个重叠在一起的厚度相同且折射率分布相同的核心层片层11。本实施例中，所述核心层10包括两个核心层片层11，如图1所示。每个核心层片层11包括叠加在一起的呈片状的第一基材131、第二基材132以及置于所述第一基材131和第二基材132之间的多个人造微结构12。一般将每个人造微结构12及其所在的第一基材131和第二基材132部分称为一个超材料单元，如图4所示，则所述核心层片层11可看作是由多个超材料单元阵列而成。一般，超材料单元的几何尺寸与穿过所述核心层片层11的电磁波波长有关。本实施例中，所述核心层片层11的厚度为1.018mm，其中，第一基板131及第二基板132的厚度均为0.5mm，人造微结构12的厚度为0.018mm。 [0044] 请继续参考图5和图6，以所述核心层片层11所在的平面为xoy坐标面建立直角坐标系。由于卫星7和等效虚拟点源8（即馈源的相位中心，后面详述）分别位于所述核心层片层11的两侧，其在所述核心层片层11上的两投影点连成一条直线作为y轴，以指向卫星7的方向为y轴的正向，将y轴上的任意一点（图6中为核心层片层11的中心）作为原点O，以通过原点O并垂直于y轴的直线为x轴、以通过原点O并垂直于xoy坐标面（也即所述核心层片层11）的直线为z轴，且以指向卫星7的方向为z轴的正向，从而建立xyz三维直角坐标系。则所述核心层片层11上任意一点的折射率n（x，y，0）为： [0045] [0046] dis=d1+d2 （2）, [0047] [0048] d2=sinγ(L/2-y) （4）, [0049] vsegment=ss+λnumsegment （5）, [0050] ss=sinγ(L/2-ysource)-cosγzsource （6）, [0051] [0052] [0053] 其中，L表示所述核心层片层11在yoz坐标面上的有效长度； [0054] nmax表示核心层片层11的折射率的最大值； [0055] nmin表示核心层片层11的折射率的最小值； [0056] λ表示卫星7发出的卫星电视信号的波长； [0057] γ表示卫星7发出的卫星电视信号在所述核心层片层11的表面入射时与所述核心层片层11的法线所成的夹角； [0058] floor表示向下取整； [0059] (0，ysource，zsource)表示等效虚拟点源8的坐标。实际设计时，由于电磁波的传播可逆，可在拟放置卫星电视信号收发器如高频头的位置替换为同频率的发射天线如馈源，如波纹喇叭，并需保证发射天线的相位中心与高频头的相位中心放置在同一点，且高频头指向所述核心层片层11的对称轴与馈源轴线（即馈源的最大辐射方向）共线，让馈源的最高点与所述核心层片层11的下边缘位于同一平面上，根据馈源的相关参数和与等效虚拟点源8的位置关系即可算得等效虚拟点源8的坐标值。 [0060] 实验证明，电磁波经过非均匀介质时会向折射率比较大的方向偏折。而折射率等于也即介质的折射率取决于其介电常数和磁导率。对于超材料来说，可以一个超材料单元作为计算折射率的基本单元来构建其折射率分布。一般，基材单位面积上人造微结构的拓扑形状越大，其对应超材料单元的介电常数越大；反之，介电常数越小。在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，在基材选定的情况下，利用只对电场响应的人造微结构可以实现超材料单元的折射率的任意值（在一定范围内），在卫星7的中心频率（如11.95GHZ）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人造微结构）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，从而设计出我们需要的具有特定折射率分布的核心层片层11，从而得到所述超材料面板100。 [0061] 本实施例中，所述核心层片层11的结构设计可通过计算机仿真（CST仿真）得到，具体如下： [0062] （1）确定人造微结构12的附着基材（第一基材131和第二基材132）。本实施例中，所述第一基材131和第二基材132是透光性好、电磁损耗低的聚苯乙烯（英文名为polystyrene，简称PS）基材，其介电常数ε极低。如在11.95GHz下，PS基材的介电常数ε=2.7，损耗角正切为2*10-4。 [0063] （2）确定超材料单元的尺寸。超材料单元的尺寸由天线所要接收的电磁波的中心频率得到，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，所述超材料单元D为如图3所示的长CD与宽KD均为2.8mm、厚度HD为1.018mm的方形小板。 [0064] （3）确定人造微结构的材料及拓扑结构。本实施例中，人造微结构是由铜线构成的金属微结构，其拓扑结构为图4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。 [0065] （4）确定人造微结构的拓扑形状参数。如图4所示，本实施例中，平面雪花状的人造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。 [0066] （5）确定人造微结构的拓扑形状的演变限制条件。本实施例中，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4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0.018mm，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。 [0067] 具体地，所述人造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4所示的金属微结构）： [0068] 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7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（对应一特定频率）。 [0069] 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（线宽W），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8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）。 [0070] 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nmin-nmax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。 [0071] 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材上的排布），即能得到本实施例的核心层片层11。 [0072] 上述人造微结构可通过蚀刻、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，将第二基材压合在第一基材上，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。优选地，所述核心层片层11的人造微结构为图4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。然后分别将两个核心层片层11压合一体，即形成了本发明的超材料面板100。 [0073] 图3为透视画法，以表示人造微结构12在超材料单元D中的位置，如图2所示，所述人造微结构12夹于两基板单元U、V之间，其所在表面用SR表示。 [0074] 再请参考图4，所述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。 [0075] 图9是图4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。 [0076] 图10是图4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4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。 [0077] 图11是本发明一实施例的卫星电视收发系统的结构示意图。所述卫星电视收发系统包括偏置后馈式卫星电视天线30、固定于地面的安装座40、可动地固定于所述安装座40的卫星电视信号收发器50（本实施例中由电性连接在一起的馈源和高频头组成）及与卫星电视信号收发器50通过电缆连接的信号转换机60。所述偏置后馈式卫星电视天线30可根据卫星的方位固定于任何地方，图11中所示为固定于某一地区正南向房屋的窗户70内侧，这样可避免外界的恶劣环境对所述偏置后馈式卫星电视天线30的损坏，延长其使用寿命，而且对用户来说可于室内对所述卫星电视信号收发器50进行调节，使用非常方便。实际安装时，可用钉子或固定销将所述偏置后馈式卫星电视天线30固定于具有玻璃或没有玻璃的窗户上，或用胶水直接粘贴于窗户的玻璃上。事实上，由于所述正后馈式卫星电视天线30由透明材料制成，可直接安装于窗户上，作为室内与外界的隔离物，而无需安装玻璃。让所述卫星电视信号收发器50位于所述正后馈式卫星电视天线30的焦点上。所述卫星电视信号收发器50包括馈源和高频头，主要是为了接收、发送双向卫星电视信号，实际上，也可根据用户的需要只做为接收器或发送器，接收或发送单向卫星电视信号。 [0078] 另外，本发明中，所述卫星电视信号收发器50所用的高频头的输入频率为 11.7～12.2GHz，输出频率为950～1450MHz，如同洲电子的CL11R一体化高频头，可收看大部分Ku波段卫星电视。所述正后馈式卫星电视天线30以中心频率为11.95GHz进行设计。且高频头能够实现三维可调，以针对不同地区的用户需求。现有技术中存在很多实现此功能的机械连接机构，故不再赘述。信号转换机60可使用用于接收中星9号的卫星电视信号的同洲电子N6188。 [0079] 根据本发明的偏置后馈式卫星电视天线及其系统，用片状的超材料面板100代替了传统的抛物面天线，制造加工更加容易，成本更加低廉，且产品的一致性高。同时，本发明的偏置后馈式卫星电视天线由于由透明的PS基材制成，当固定于房屋的窗户内侧时，不仅可使其使用寿命延长，而且也不会影响室内的采光。另外，与将其放置在室外相比，由于窗户对电磁波的影响较小，所以不会造成信号变差，特别是当将所述超材料面板100直接固定窗户上，而不安装玻璃时效果更好；所述超材料面板100占用空间小、节省成本、安装简单。 [0080] 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。