CN103647150A - 石墨烯太赫兹天线及其通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种石墨烯太赫兹天线及其通信方法。石墨烯太赫兹天线包括：介质衬底基片以及布置在介质衬底基片上的矩形石墨烯贴片天线；其中矩形石墨烯贴片天线由石墨烯材料制成，而且矩形石墨烯贴片天线的长度和宽度均介于1微米至100微米的范围内；而且，矩形石墨烯贴片天线上入射有太赫兹电磁辐射。

Description

石墨烯太赫兹天线及其通信方法
技术领域
本发明涉及太赫兹无线通信应用领域，更具体地说，本发明涉及一种石墨烯太赫兹天线及其通信方法。
背景技术
随着现代信息技术的发展以及纳米加工工艺的进步，纳米系统间的通信已成为国际上迅速发展的热点技术开发领域之一。纳米系统是一种只有几个微米大小的集成系统，系统间的无线通信可以通过纳米天线来实现。但是，传统的金属天线若要达到纳米无线通信网络所要求的几个微米的尺寸时，金属内电子迁移率变小、信道损耗变大、工作频率太高以至于无法实现纳米系统间无线通信的功能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，提供一种能够实现纳米系统间的无线通信功能的石墨烯太赫兹天线及其通信方法。
为了实现上述技术目的，根据本发明的第一方面，提供了一种石墨烯太赫兹天线，其特征在于包括：介质衬底基片以及布置在介质衬底基片上的矩形石墨烯贴片天线；其中矩形石墨烯贴片天线由石墨烯材料制成，而且矩形石墨烯贴片天线的长度和宽度均介于1微米至100微米的范围内；而且，矩形石墨烯贴片天线上入射有太赫兹电磁辐射。
优选地，矩形石墨烯贴片天线1的长度和宽度均介于1微米至10微米的范围内。
优选地，介质衬底基片的材料为硅或二氧化硅。
优选地，矩形石墨烯贴片天线和介质衬底基片之间形成有器件。
优选地，石墨烯贴片天线处于介质衬底基片的边缘位置。
为了实现上述技术目的，根据本发明的第二方面，提供了一种石墨烯太赫兹天线通信方法，其特征在于包括：准备矩形石墨烯贴片天线作为共振腔；其中矩形石墨烯贴片天线由石墨烯材料制成，而且矩形石墨烯贴片天线的长度和宽度均介于1微米至100微米的范围内；准备介质衬底基片作为支撑矩形石墨烯贴片天线的衬底；将作为共振腔的矩形石墨烯贴片天线布置在介质衬底基片的表面上；利用太赫兹电磁辐射对矩形石墨烯贴片天线进行照射。
优选地，所述石墨烯太赫兹天线通信方法还包括：调节石墨烯贴片天线的长度L和/或宽度W的大小和/或介质衬底基片的厚度大小，以便调整石墨烯太赫兹天线的工作频率；或者调整石墨烯太赫兹天线上的偏置电压，以便调整石墨烯太赫兹天线的工作频率。
优选地，在介质衬底基片的表面形成集成金属电极或混频器等器件，随后将作为共振腔的矩形石墨烯贴片天线形成有集成金属电极或混频器等器件的表面上。
优选地，石墨烯贴片天线处于介质衬底基片的边缘位置。
优选地，矩形石墨烯贴片天线的长度L和宽度W均介于1微米至10微米的范围内。
本发明提供了一种基于石墨烯材料实现太赫兹天线功能的方法，满足了纳米系统间无线通信的要求。
附图说明
结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：
图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的石墨烯太赫兹天线的结构图。
图2示意性地示出了根据本发明优选实施例的石墨烯太赫兹天线通信方法的流程图。
需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。
具体实施方式
为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内容进行详细描述。
近年来，具有优异力学、热学、光学和电学性质的石墨烯吸引着越来越多学术界和工业界的关注，并且在超高频、超高速晶体管和太阳能电池等诸多领域有着广泛应用。本发明采用石墨烯来代替传统的金属材料制作成能工作在太赫兹波段的天线，实现纳米系统间的无线通信功能。
图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的石墨烯太赫兹天线的结构图。
如图1所示，根据本发明优选实施例的石墨烯太赫兹天线包括：介质衬底基片2以及布置在介质衬底基片2上的矩形石墨烯贴片天线1；其中矩形石墨烯贴片天线1由石墨烯材料制成，而且矩形石墨烯贴片天线1的长度L和宽度W均介于1微米至100微米的范围内；优选地，矩形石墨烯贴片天线1的长度L和宽度W均介于1微米至10微米的范围内。而且，矩形石墨烯贴片天线1上入射有太赫兹电磁辐射。
优选地，可以将石墨烯贴片天线1置于介质衬底基片2的边缘位置，由此可以增强电磁辐射和天线间的相互作用。
优选地，矩形石墨烯贴片天线1和介质衬底基片2之间形成有集成金属电极或混频器等器件。
优选地，介质衬底基片2的材料可以为硅或二氧化硅等。
由此，石墨烯贴片天线起着共振腔的作用，入射的太赫兹电磁辐射与等离激元模式间的耦合相互作用在石墨烯贴片天线内形成共振。本发明用石墨烯来代替传统的金属材料制作的贴片天线能工作在太赫兹波段，具有结构简单、易集成、辐射吸收效率高、工作频率可调谐等特点。
在本发明优选实施例中，石墨烯太赫兹天线的纳米天线部分直接由石墨烯材料制作而成。石墨烯是一种由单原子层构成的二维材料，它的等离子频率比一般金属材料要低得多，正好处在太赫兹范围，因此石墨烯支持TM型等离激元波形式的太赫兹电磁波。太赫兹辐射与石墨烯贴片天线间的相互作用有两种机制，分别为吸收和散射机制。由于石墨烯内部与远场的电磁波间存在巨大的波长失调，天线对太赫兹辐射的散射要比吸收作用小3个数量级，所以该石墨烯贴片天线效率非常高。并且，矩形石墨烯贴片天线的边缘起着类似镜子的作用，而贴片实际就是一个共振腔。入射的太赫兹电磁辐射与等离激元模式间的耦合相互作用在石墨烯贴片天线内形成共振。通过改变贴片天线的尺寸、介质衬底基片的材料和大小，或者直接调整天线上的电压可以改变贴片共振腔内等离激元波的共振频率，实现天线工作频率可调谐的功能。
相应地，根据本发明的另一优选实施例，本发明还提供了上述石墨烯太赫兹天线的通信方法。图2示意性地示出了根据本发明优选实施例的石墨烯太赫兹天线通信方法的流程图。
如图2所示，根据本发明优选实施例的石墨烯太赫兹天线通信方法包括：
第一步骤S1，用于准备矩形石墨烯贴片天线1作为共振腔；其中矩形石墨烯贴片天线1由石墨烯材料制成，而且矩形石墨烯贴片天线1的长度L和宽度W均介于1微米至100微米的范围内；优选地，矩形石墨烯贴片天线1的长度L和宽度W均介于1微米至10微米的范围内。
第二步骤S2，用于准备介质衬底基片2作为支撑矩形石墨烯贴片天线的衬底；优选地，介质衬底基片2的材料可以为硅或二氧化硅等。
第三步骤S3，用于将作为共振腔的矩形石墨烯贴片天线布置在介质衬底基片2的表面上。优选地，可以将石墨烯贴片天线1置于介质衬底基片2的边缘位置，由此可以增强电磁辐射和天线间的相互作用。
优选地，可以在介质衬底基片2的表面形成集成金属电极或混频器等器件，随后将作为共振腔的矩形石墨烯贴片天线形成有集成金属电极或混频器等器件的表面上。这样，就在矩形石墨烯贴片天线1和介质衬底基片2之间布置了集成金属电极或混频器等器件。
第四步骤S4，用于利用太赫兹电磁辐射对矩形石墨烯贴片天线1照射。这样，入射的太赫兹电磁辐射与等离激元模式间的耦合相互作用在石墨烯贴片天线内形成共振，由此接收特定频率的电磁波。
优选地，根据本发明优选实施例的石墨烯太赫兹天线通信方法还可以包括第五步骤S5：可以调节石墨烯贴片天线1的长度L和/或宽度W的大小和/或介质衬底基片2的厚度D大小，以便调整石墨烯太赫兹天线的工作频率；可替换地，可以直接调整石墨烯太赫兹天线上的偏置电压来调谐工作频。
本发明采用石墨烯来代替传统的金属材料制作的贴片天线能工作在太赫兹波段，工作频率可以通过改变贴片天线的尺寸、介质衬底基片的材料和大小或调整天线上的电压来调节。基于本发明的太赫兹天线，具有结构简单、易集成、辐射吸收效率高、工作频率可调谐等特点。
此外，需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种石墨烯太赫兹天线，其特征在于包括：介质衬底基片以及布置在介质衬底基片上的矩形石墨烯贴片天线；其中矩形石墨烯贴片天线由石墨烯材料制成，而且矩形石墨烯贴片天线的长度和宽度均介于1微米至100微米的范围内；而且，矩形石墨烯贴片天线上入射有太赫兹电磁辐射。
2.根据权利要求1所述的石墨烯太赫兹天线，其特征在于，矩形石墨烯贴片天线1的长度和宽度均介于1微米至10微米的范围内。
3.根据权利要求1或2所述的石墨烯太赫兹天线，其特征在于，介质衬底基片的材料为硅或二氧化硅。
4.根据权利要求1或2所述的石墨烯太赫兹天线，其特征在于，矩形石墨烯贴片天线和介质衬底基片之间形成有器件。
5.根据权利要求1或2所述的石墨烯太赫兹天线，其特征在于，石墨烯贴片天线处于介质衬底基片的边缘位置。
6.一种石墨烯太赫兹天线通信方法，其特征在于包括：
准备矩形石墨烯贴片天线作为共振腔；其中矩形石墨烯贴片天线由石墨烯材料制成，而且矩形石墨烯贴片天线的长度和宽度均介于1微米至100微米的范围内；
准备介质衬底基片作为支撑矩形石墨烯贴片天线的衬底；
将作为共振腔的矩形石墨烯贴片天线布置在介质衬底基片的表面上；
利用太赫兹电磁辐射对矩形石墨烯贴片天线进行照射。
7.根据权利要求6所述的石墨烯太赫兹天线通信方法，其特征在于还包括：调节石墨烯贴片天线的长度L和/或宽度W的大小和/或介质衬底基片的厚度大小，以便调整石墨烯太赫兹天线的工作频率；或者调整石墨烯太赫兹天线上的偏置电压，以便调整石墨烯太赫兹天线的工作频率。
8.根据权利要求6所述的石墨烯太赫兹天线通信方法，其特征在于，在介质衬底基片的表面形成集成金属电极或混频器等器件，随后将作为共振腔的矩形石墨烯贴片天线形成有集成金属电极或混频器等器件的表面上。
9.根据权利要求6或7所述的石墨烯太赫兹天线通信方法，其特征在于，石墨烯贴片天线处于介质衬底基片的边缘位置。
10.根据权利要求6或7所述的石墨烯太赫兹天线通信方法，其特征在于，矩形石墨烯贴片天线的长度L和宽度W均介于1微米至10微米的范围内。
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