專利名稱：一種集合有超材料衛(wèi)星天線的太陽能熱水器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種太陽能熱水器，尤其涉及一種集合有超材料衛(wèi)星天線的太陽能熱水器。
背景技術(shù)：
太陽能熱水器是指利用太陽能吸收板將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能的一種裝置。太陽能熱水器一般設(shè)置于屋頂或陽臺上以最大限度的吸收太陽能?，F(xiàn)有的衛(wèi)星天線為了能更好的接收衛(wèi)星信號也一般放置于屋頂或陽臺上，然而現(xiàn)有的衛(wèi)星天線均呈拋物面形狀，使得其不能很好的和太陽能熱水器集合于一體從而達(dá)到節(jié)省空間并能保護(hù)衛(wèi)星天線的效果，使得太陽能熱水器能夠一物二用，擴(kuò)大其使用范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提出一種集合有超材料衛(wèi)星天線的太陽能熱水器。該太陽能熱水器中的超材料衛(wèi)星天線加工簡單、造價(jià)較低且形狀為平板狀、體積較小，能與太陽能熱水器中的吸熱板有效集合，且安裝和維護(hù)簡單。本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是，提出一種集合有超材料衛(wèi)星天線的太陽能熱水器，其包括具有太陽能吸熱板的太陽能熱水器，用于接收衛(wèi)星信號的超材料衛(wèi)星天線系統(tǒng)；所述超材料衛(wèi)星天線系統(tǒng)包括高頻頭、緊貼于所述太陽能吸熱板底面設(shè)置的平板超材料以及位于所述平板超材料背部的反射板，所述平板超材料包括至少一層超材料片層，每層超材料片層包括基材以及周期排布于基材上的人造微結(jié)構(gòu)，所述超材料片層上按照折射率分布劃分為多個(gè)帶狀區(qū)域，以高頻頭等效虛擬點(diǎn)源在所述超材料片層平面的垂直投影點(diǎn)為圓心，所述多個(gè)帶狀區(qū)域上相同半徑處的折射率相同，每一帶狀區(qū)域上隨著半徑的增大折射率逐漸減小，相鄰兩個(gè)帶狀區(qū)域，靠近圓心側(cè)的帶狀區(qū)域的折射率最小值小于遠(yuǎn)離圓心側(cè)的帶狀區(qū)域的折射率最大值。進(jìn)一步地，所述每一帶狀區(qū)域上，隨著半徑的增大，折射率值均從所述超材料片層所具有的最大折射率值逐漸減小為所述超材料片層所具有的最小折射率值。進(jìn)一步地，以平板超材料外表面為I軸，垂直于平板超材料外表面的直線為X軸， 以所述高頻頭的對稱軸線與所述平板超材料的交點(diǎn)記為坐標(biāo)原點(diǎn)，所述高頻頭的最低點(diǎn)與所述平板超材料的上邊沿的I坐標(biāo)值相等，所述超材料片層縱剖面的折射率值隨著坐標(biāo)I 值變化，其折射率分布n (y)滿足如下公式η (V) _ η _ (nmax-nmin)4d1 + d2-ss-A.floor(dl+dx2-SS)]
11Vj/ — umax人，Ci1 = Vx2 + (y _ y2)2;d2 = (H-h-y) ^sin Y ；
h+竺 *COS0X2 =~~ + ds * COS0;
^tan0s
y2 = —h — ^ * cos0 + ds * sin0；其中，floor函數(shù)表示向下取值函數(shù)，Θ為所述高頻頭對稱軸與X軸夾角，Y為衛(wèi)星與所述平板超材料平面的法線方向的夾角，h為坐標(biāo)原點(diǎn)距平板超材料上邊沿的距離，H 為平板超材料的總長度，d為高頻頭口徑面的直徑，ds為高頻頭等效虛擬點(diǎn)源與高頻頭口徑面中心點(diǎn)的距離，λ為衛(wèi)星輻射的電磁波波長，nmax為超材料片層所具有的最大折射率值， nfflin為超材料片層所具有的最小折射率值。進(jìn)一步地，所述超材料片層還包括覆蓋層，所述覆蓋層材質(zhì)與所述基材材質(zhì)相同， 均由FR-4、F4B或PS材料制成。進(jìn)一步地，所述平板超材料還包括外層阻抗匹配層以及內(nèi)層阻抗匹配層，所述外層阻抗匹配層的折射率分布Ii1 (y)與所述超材料片層的折射率分布n (y)的對應(yīng)關(guān)系為Ii1 (y) = nmin+ ((2. 545-nmin) * (n (y) -nmin) / (Uin))；所述內(nèi)層阻抗匹配層的折射率分布n2(y)與所述超材料片層的折射率分布n(y) 的對應(yīng)關(guān)系為n2 (y) = nmin+ ((3. 94-nmin) * (n (y) -nmin) / (nmax-nmin))。 進(jìn)一步地，所述平板超材料包括兩層超材料片層，每層超材料片層、外層阻抗匹配層以及內(nèi)側(cè)阻抗匹配層厚度相同，均由O. 254毫米厚度的覆蓋層、O. 038毫米厚度的微結(jié)構(gòu)以及O. 254毫米厚度的基材構(gòu)成。進(jìn)一步地，所述人造微結(jié)構(gòu)為人造金屬微結(jié)構(gòu)，所述人造金屬微結(jié)構(gòu)通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻的方法附著于所述基材上。 進(jìn)一步地，所述金屬微結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D案呈各向同性。進(jìn)一步地，所述金屬微結(jié)構(gòu)呈平面雪花狀，所述金屬微結(jié)構(gòu)具有相互垂直平分的第一金屬線及第二金屬線，所述第一金屬線與第二金屬線的長度相同，所述第一金屬線兩端連接有相同長度的兩個(gè)第一金屬分支，所述第一金屬線兩端連接在兩個(gè)第一金屬分支的中點(diǎn)上，所述第二金屬線兩端連接有相同長度的兩個(gè)第二金屬分支，所述第二金屬線兩端連接在兩個(gè)第二金屬分支的中點(diǎn)上，所述第一金屬分支與第二金屬分支的長度相等。進(jìn)一步地，所述平面雪花狀的金屬微結(jié)構(gòu)的每個(gè)第一金屬分支及每個(gè)第二金屬分支的兩端還連接有完全相同的第三金屬分支，相應(yīng)的第三金屬分支的中點(diǎn)分別與第一金屬分支及第二金屬分支的端點(diǎn)相連。進(jìn)一步地，所述平面雪花狀的金屬微結(jié)構(gòu)的第一金屬線與第二金屬線均設(shè)置有兩個(gè)彎折部，所述平面雪花狀的金屬微結(jié)構(gòu)繞垂直于第一金屬線與第二金屬線交點(diǎn)的軸線向任意方向旋轉(zhuǎn)90度的圖形都與原圖重合。進(jìn)一步地，所述高頻頭對稱軸與X軸所成夾角Θ為32°，衛(wèi)星與所述平板超材料平面的法線方向夾角Y為35°，坐標(biāo)原點(diǎn)距平板超材料上邊沿距離h為247. 2毫米，高頻頭口徑面直徑d為47. 2毫米，虛擬點(diǎn)源與高頻頭口徑面中心點(diǎn)距離ds為I毫米，平板超材料折射率最小值nmin為I. 48，平板超材料折射率最大值nmax為5. 07。本發(fā)明采用超材料原理制備平板超材料衛(wèi)星天線，并使其與現(xiàn)有的太陽能熱水器很好的集合成一體，使得太陽能熱水器能集成衛(wèi)星天線的功能，達(dá)到一物多用且節(jié)省空間的有益效果。


圖I為構(gòu)成超材料的基本單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明集合有超材料衛(wèi)星天線的太陽能熱水器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為平板超材料縱剖面折射率分布計(jì)算示意圖；圖4為平板超材料縱剖面折射率分布示意圖；圖5為平板超材料正面折射率分布示意圖；圖6為本發(fā)明一實(shí)施例中的人造微結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋱D案；
圖7為圖6所示拓?fù)鋱D案的一種衍生結(jié)構(gòu)；圖8為圖6所示拓?fù)鋱D案的一種變形結(jié)構(gòu)；圖9為平面雪花狀的金屬微結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫螤钛葑兊牡谝浑A段；圖10為平面雪花狀的金屬微結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫螤钛葑兊牡诙A段；圖11為利用饋源輻射電磁波后的仿真波形圖；圖12為遠(yuǎn)場dB值測試結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式光，作為電磁波的一種，其在穿過玻璃的時(shí)候，因?yàn)楣饩€的波長遠(yuǎn)大于原子的尺寸，因此我們可以用玻璃的整體參數(shù)，例如折射率，而不是組成玻璃的原子的細(xì)節(jié)參數(shù)來描述玻璃對光線的響應(yīng)。相應(yīng)的，在研究材料對其他電磁波響應(yīng)的時(shí)候，材料中任何尺度遠(yuǎn)小于電磁波波長的結(jié)構(gòu)對電磁波的響應(yīng)也可以用材料的整體參數(shù)，例如介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ來描述。通過設(shè)計(jì)材料每點(diǎn)的結(jié)構(gòu)使得材料各點(diǎn)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都相同或者不同從而使得材料整體的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率呈一定規(guī)律排布，規(guī)律排布的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)即可使得材料對電磁波具有宏觀上的響應(yīng)，例如匯聚電磁波、發(fā)散電磁波等。該類具有規(guī)律排布的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)的材料稱之為超材料。如圖I所示，圖I為構(gòu)成超材料的基本單元的立體結(jié)構(gòu)示意圖。超材料的基本單元包括人造微結(jié)構(gòu)2以及該人造微結(jié)構(gòu)附著的基材I。本發(fā)明中，人造微結(jié)構(gòu)為人造金屬微結(jié)構(gòu)，人造金屬微結(jié)構(gòu)具有能對入射電磁波電場和/或磁場產(chǎn)生響應(yīng)的平面或立體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，改變每個(gè)超材料基本單元上的人造金屬微結(jié)構(gòu)的圖案和/或尺寸即可改變每個(gè)超材料基本單元對入射電磁波的響應(yīng)。本發(fā)明中，人造微結(jié)構(gòu)2上還覆蓋有覆蓋層3，覆蓋層3、人造微結(jié)構(gòu)2以及基材I構(gòu)成本發(fā)明超材料的基本單元。多個(gè)超材料基本單元按一定規(guī)律排列即可使得超材料對電磁波具有宏觀的響應(yīng)。由于超材料整體需對入射電磁波有宏觀電磁響應(yīng)因此各個(gè)超材料基本單元對入射電磁波的響應(yīng)需形成連續(xù)響應(yīng)，這要求每一超材料基本單兀的尺寸小于入射電磁波波長的五分之一，優(yōu)選為入射電磁波波長的十分之一。本段描述中，我們?nèi)藶榈膶⒊牧险w劃分為多個(gè)超材料基本單元，但應(yīng)知此種劃分方法僅為描述方便，不應(yīng)看成超材料由多個(gè)超材料基本單元拼接或組裝而成，實(shí)際應(yīng)用中超材料是將人造金屬微結(jié)構(gòu)周期排布于基材上即可構(gòu)成，工藝簡單且成本低廉。周期排布即指上述人為劃分的各個(gè)超材料基本單元上的人造金屬微結(jié)構(gòu)能對入射電磁波產(chǎn)生連續(xù)的電磁響應(yīng)。本發(fā)明即利用上述超材料原理設(shè)計(jì)一種平板狀的超材料衛(wèi)星天線，其能達(dá)到或超過現(xiàn)有的由拋物面形狀的反射面構(gòu)成的衛(wèi)星天線的性能。且平板狀的超材料衛(wèi)星天線體積較小、能很好的與平板狀的太陽能吸熱板集合以構(gòu)成本發(fā)明集合有超材料衛(wèi)星天線的太陽能熱水器，使得太陽能熱水器具有一物多用的效果，并能有效節(jié)省空間。如圖2所示，圖2為本發(fā)明集合有超材料衛(wèi)星天線的太陽能熱水器的結(jié)構(gòu)示意圖。 本發(fā)明集合有超材料衛(wèi)星天線的太陽能熱水器包括具有太陽能吸熱板20的太陽能熱水器以及超材料衛(wèi)星天線系統(tǒng)。超材料衛(wèi)星天線系統(tǒng)包括用于接收衛(wèi)星信號并將接收到的衛(wèi)星信號降頻和放大的高頻頭11、平板超材料12、位于平板超材料12背部的反射板13以及用于支撐高頻頭11 的支架14。反射板13可采用各類金屬制作的金屬反射板，只要其能達(dá)到反射電磁波的功能即可。平板超材料12由于其呈平板狀、體積小且厚度薄，可以貼附太陽能吸熱板20底面。下面詳細(xì)論述平板超材料12與高頻頭11的設(shè)計(jì)。由于平板超材料12是將衛(wèi)星發(fā)出的平面波匯聚到高頻頭中，由高頻頭對平面波信號進(jìn)行降頻和放大處理。此處中，衛(wèi)星輻射的初始電磁波實(shí)際為球面波，但因衛(wèi)星距平板超材料12極遠(yuǎn)，當(dāng)衛(wèi)星發(fā)出的球面波到達(dá)平板超 材料12時(shí)，球面電磁波已可被視為平面電磁波。在仿真測試和計(jì)算過程中，根據(jù)電磁波傳播路徑的可逆性，利用能發(fā)射電磁波的發(fā)射天線，例如饋源或初級輻射器等代替高頻頭，本實(shí)施例中，在仿真測試和計(jì)算時(shí)，采用饋源代替高頻頭，饋源輻射頻率與衛(wèi)星輻射的電磁波頻率相同的球面電磁波且饋源輻射的球面波被平板超材料12轉(zhuǎn)換為平面電磁波后輻射出去，測試被平板超材料12轉(zhuǎn)換后的平面電磁波的遠(yuǎn)場各項(xiàng)參數(shù)即可確定實(shí)際運(yùn)行中超材料衛(wèi)星天線接收衛(wèi)星信號的性能。如圖3所示，圖3為平板超材料12縱剖面折射率分布計(jì)算示意圖。平板超材料可由一片或多片折射率分布相同的超材料片層構(gòu)成。圖3中，僅示出一層超材料片層并將該一層超材料片層視為平板超材料。圖3中，采用饋源11’代替高頻頭進(jìn)行仿真計(jì)算。圖 3中，以平板超材料外表面為y軸，垂直于平板超材料外表面的直線為X軸，饋源對稱軸與 X軸的夾角為Θ且饋源對稱軸線與超材料外表面的交點(diǎn)記為計(jì)算過程中的坐標(biāo)原點(diǎn)0(0， O)。饋源的低高點(diǎn)Α(Χ(Ι，％)與平板超材料12的上邊沿的y坐標(biāo)值相等。另外，由于在同一個(gè)地區(qū)范圍內(nèi)，同一顆衛(wèi)星的方位角和仰角均固定，則該衛(wèi)星與平板超材料平面的法線方向的夾角也固定，記某一衛(wèi)星的方位角為α，仰角為β，則可得出該衛(wèi)星與超材料平面的法線方向的夾角Y為cos—1 (cos a *C0S β )。反射板13緊貼于超材料12的后表面放置,用于反射饋源輻射的電磁波。記坐標(biāo)原點(diǎn)O與平板超材料12上邊沿的距離為h，饋源11’的口徑面的直徑為 d,則饋源口徑面中心點(diǎn)B(x1； Y1)的y坐標(biāo)Y1為= -h_(d*cos Θ )/2, x坐標(biāo)X1為= (h+d/2*cos Θ )/tan θ。在實(shí)際計(jì)算過程中，將喇叭狀的饋源等效為一虛擬點(diǎn)源C(χ2，y2)， 虛擬點(diǎn)源C位于饋源對稱軸上，且其與饋源口徑面中心點(diǎn)B的距離為ds，則虛擬點(diǎn)源C的坐 t示為x2 = Xi+d^cos θ , y2 = Y1-Cls^sin θ 0記平板超材料12的全長為H，且在平板超材料12的縱剖面上，其折射率分布僅隨著I值變化而變化，其折射率在X方向無變化。超材料縱剖面上，以饋源對稱軸線與超材料前表面的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，超材料片層的折射率分布n(y)可通過如下公式得出
權(quán)利要求
1.一種集合有超材料衛(wèi)星天線的太陽能熱水器，其特征在于包括具有太陽能吸熱板的太陽能熱水器，用于接收衛(wèi)星信號的超材料衛(wèi)星天線系統(tǒng)；所述超材料衛(wèi)星天線系統(tǒng)包括高頻頭、緊貼于所述太陽能吸熱板底面設(shè)置的平板超材料以及位于所述平板超材料背部的反射板，所述平板超材料包括至少一層超材料片層，每層超材料片層包括基材以及周期排布于基材上的人造微結(jié)構(gòu)，所述超材料片層上按照折射率分布劃分為多個(gè)帶狀區(qū)域，以高頻頭等效虛擬點(diǎn)源在所述超材料片層平面的垂直投影點(diǎn)為圓心，所述多個(gè)帶狀區(qū)域上相同半徑處的折射率相同，每一帶狀區(qū)域上隨著半徑的增大折射率逐漸減小，相鄰兩個(gè)帶狀區(qū)域，靠近圓心側(cè)的帶狀區(qū)域的折射率最小值小于遠(yuǎn)離圓心側(cè)的帶狀區(qū)域的折射率最大值。
2.如權(quán)利要求2所述的太陽能熱水器，其特征在于所述每一帶狀區(qū)域上，隨著半徑的增大，折射率值均從所述超材料片層所具有的最大折射率值逐漸減小為所述超材料片層所具有的最小折射率值。
3.如權(quán)利要求I或2所述的太陽能熱水器，其特征在于以平板超材料外表面為I軸，垂直于平板超材料外表面的直線為X軸，以所述高頻頭的對稱軸線與所述平板超材料的交點(diǎn)記為坐標(biāo)原點(diǎn)，所述高頻頭的最低點(diǎn)與所述平板超材料的上邊沿的I坐標(biāo)值相等，所述超材料片層縱剖面的折射率值隨著坐標(biāo)y值變化，其折射率分布n(y)滿足如下公式
4.如權(quán)利要求3所述的太陽能熱水器，其特征在于所述超材料片層還包括覆蓋層，所述覆蓋層材質(zhì)與所述基材材質(zhì)相同，均由FR-4、F4B或PS材料制成。
5.如權(quán)利要求3所述的太陽能熱水器，其特征在于所述平板超材料還包括外層阻抗匹配層以及內(nèi)層阻抗匹配層，所述外層阻抗匹配層的折射率分布H1 (y)與所述超材料片層的折射率分布n(y)的對應(yīng)關(guān)系為 H1 (y) = nmin+ ((2. 545-nmin) * (n (y) -nmin) / (nmax-nmin))； 所述內(nèi)層阻抗匹配層的折射率分布n2(y)與所述超材料片層的折射率分布n(y)的對應(yīng)關(guān)系為 n2 (y) = Iiniin+ ((3. 94-nmin) * (n (y) -nmin) / (nmax-nmin))。
6.如權(quán)利要求5所述的太陽能熱水器，其特征在于所述平板超材料包括兩層超材料片層，每層超材料片層、外層阻抗匹配層以及內(nèi)側(cè)阻抗匹配層厚度相同，均由0. 254毫米厚度的覆蓋層、0. 038毫米厚度的微結(jié)構(gòu)以及0. 254毫米厚度的基材構(gòu)成。
7.如權(quán)利要求3所述的太陽能熱水器，其特征在于所述人造微結(jié)構(gòu)為人造金屬微結(jié)構(gòu)，所述人造金屬微結(jié)構(gòu)通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻的方法附著于所述基材上。
8.如權(quán)利要求7所述的太陽能熱水器，其特征在于所述金屬微結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D案呈各向同性。
9.如權(quán)利要求8所述的太陽能熱水器，其特征在于所述金屬微結(jié)構(gòu)呈平面雪花狀，所述金屬微結(jié)構(gòu)具有相互垂直平分的第一金屬線及第二金屬線，所述第一金屬線與第二金屬線的長度相同，所述第一金屬線兩端連接有相同長度的兩個(gè)第一金屬分支，所述第一金屬線兩端連接在兩個(gè)第一金屬分支的中點(diǎn)上，所述第二金屬線兩端連接有相同長度的兩個(gè)第二金屬分支，所述第二金屬線兩端連接在兩個(gè)第二金屬分支的中點(diǎn)上，所述第一金屬分支與第二金屬分支的長度相等。
10.如權(quán)利要求8所述的太陽能熱水器，其特征在于所述平面雪花狀的金屬微結(jié)構(gòu)的每個(gè)第一金屬分支及每個(gè)第二金屬分支的兩端還連接有完全相同的第三金屬分支，相應(yīng)的第三金屬分支的中點(diǎn)分別與第一金屬分支及第二金屬分支的端點(diǎn)相連。
11.如權(quán)利要求8所述的太陽能熱水器，其特征在于所述平面雪花狀的金屬微結(jié)構(gòu)的第一金屬線與第二金屬線均設(shè)置有兩個(gè)彎折部，所述平面雪花狀的金屬微結(jié)構(gòu)繞垂直于第一金屬線與第二金屬線交點(diǎn)的軸線向任意方向旋轉(zhuǎn)90度的圖形都與原圖重合。
12.如權(quán)利要求6所述的太陽能熱水器，其特征在于所述高頻頭對稱軸與水平面所成夾角0為32°，衛(wèi)星與所述平板超材料平面的法線方向夾角Y為35°，坐標(biāo)原點(diǎn)距平板超材料下邊沿距離h為247. 2毫米，高頻頭口徑面直徑d為47. 2毫米，虛擬點(diǎn)源與高頻頭口徑面中心點(diǎn)距離ds為I毫米，平板超材料折射率最小值11_為I. 48，平板超材料折射率最大值nmax為5. 07。
全文摘要
本發(fā)明公開一種集合有超材料衛(wèi)星天線的太陽能熱水器，其包括具有太陽能吸熱板的太陽能熱水器，用于接收衛(wèi)星信號的超材料衛(wèi)星天線系統(tǒng)；所述超材料衛(wèi)星天線系統(tǒng)包括高頻頭、緊貼于所述太陽能吸熱板底面設(shè)置的平板超材料以及位于所述平板超材料背部的反射板，所述平板超材料包括至少一層超材料片層，每層超材料片層包括基材以及周期排布于基材上的人造微結(jié)構(gòu)。本發(fā)明采用超材料原理制備平板超材料衛(wèi)星天線，并使其與現(xiàn)有的太陽能熱水器很好的集合成一體，使得太陽能熱水器達(dá)到一物多用的效果，并能有效節(jié)省空間。
文檔編號F24J2/46GK102709669SQ20121013394
公開日2012年10月3日 申請日期2012年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月28日
發(fā)明者劉若鵬, 季春霖, 李勇祥, 李星昆, 殷俊 申請人:深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司