CN104092013A - 基于石墨烯的频率可重构天线 - Google Patents

基于石墨烯的频率可重构天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于石墨烯的频率可重构天线，包括天线本体，所述天线本体包括馈电端口、上部的石墨烯层、中部的非导电介质层和下部的导电介质层；其中非导电介质层与石墨烯层的相交面形成上界面，非导电介质层与导电介质层的相交面形成下界面。馈电端口设置在石墨烯层的一端，且上下界面之间的垂直距离从馈电端口的正下方处向另一侧渐变；或馈电端口设置在石墨烯的中间，上下界面之间的垂直距离从中间的馈电端口的正下方处，向两侧对称渐变。本发明可通过调节外加偏置电压来连续调控天线工作频率，克服了以往频率可重构天线对频率的调控上不能连续调谐的缺点。

Description

基于石墨烯的频率可重构天线
技术领域
本发明涉及天线领域，具体涉及一种基于石墨烯的频率可重构天线。
背景技术
随着电子科学技术的发展和进步，用户数量和需求的剧增使得电磁频谱出现拥挤，通信、雷达等需求迫使频带向高频、宽频扩展。因此天线数量也必然随之增加。而在单个的系统中集成数量众多的天线，将使得各个子系统之间的电磁干扰严重，难以实现相互兼容，导致天线的工作性能恶化。为了实现减轻集成天线的通信平台的重量，降低大规模商业化生产的成本，同时达到良好电磁兼容特性等目的，希望可以在一个天线或天线阵上，通过自动的改变天线的部分参数，例如天线尺寸、结构等，使其能够实现天线的频率可控，这种新颖的天线就是频率可重构天线。
改变天线谐振长度或其电抗值是目前实现天线频率重构特性的两种主要方式。例如利用开关元件的“开”与“关”两种状态，改变天线结构，得到不同的谐振长度对应的物理尺寸，实现对工作频率的调节，或在天线的表面电流所在路径上加载开关，随着开关的通断，原先的天线电流路径将会被导通或截断，从而得到频率可重构天线。还有利用某些方法实现对天线电抗值的控制，例如加载电容、电阻等电抗元件，同样可以得到频率的可重构特性。这些方法能够实现天线的频率可控，但是只能够为天线增加较少几个工作频率或者为天线增加很窄的可用频段，对其频率的调控上不能连续。
发明内容
本发明所要解决的是现有天线的频率调控无法实现连续的不足，提供一种基于石墨烯的频率可重构天线。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于石墨烯的频率可重构天线，包括天线本体，所述天线本体包括馈电端口、上部的石墨烯层、中部的非导电介质层和下部的导电介质层；其中非导电介质层与石墨烯层的相交面形成上界面，非导电介质层与导电介质层的相交面形成下界面；馈电端口设置在石墨烯层的端部；上界面与下界面之间的垂直距离从馈电端口的正下方处，向另一侧渐变，即垂直距离从馈电端口正下方一侧向另一侧逐渐增大或减小。
上述方案中，所述上界面为水平面、连续变化的倾斜面或阶梯变化的阶梯面。
上述方案中，所述下界面为水平面、连续变化的倾斜面或阶梯变化的阶梯面。
上述方案中，所述非导电介质层为氧化铝介质层或氧化硅介质层；所述导电介质层为硅介质层。
上述方案中，所述天线本体呈长方体。
一种基于石墨烯的频率可重构天线，包括天线本体，所述天线本体包括馈电端口、上部的石墨烯层、中部的非导电介质层和下部的导电介质层；其中非导电介质层与石墨烯层的相交面形成上界面，非导电介质层与导电介质层的相交面形成下界面；馈电端口设置在石墨烯层的中间；上界面与下界面之间的垂直距离从中间的馈电端口的正下方处，向两侧对称渐变，即垂直距离从中间向两侧呈对称地逐渐增大或减小。
上述方案中，所述上界面为水平面、从中间向两侧连续变化的倾斜面或从中间向两侧阶梯变化的阶梯面。
上述方案中，所述下界面为水平面、从中间向两侧连续变化的倾斜面或从中间向两侧阶梯变化的阶梯面。
上述方案中，所述非导电介质层为氧化铝介质层或氧化硅介质层；所述导电介质层为硅介质层。
上述方案中，所述天线本体呈长方体。
与现有技术相比，本发明具有如下特点：
1、石墨烯具有较高的载流子密度，从而导致其优良的导电性能，使得基于石墨烯的频率可重构天线具有损耗小、效率高等优点；
2、天线底部渐变式倾斜结构，这使得它能够通过外加偏置电场方便、连续地控制天线谐振频率，实现天线频率的连续可重构；
3、可通过调节外加偏置电场来连续调控天线工作频率，克服了以往频率可重构天线对频率的调控上不能连续调谐的缺点。
4、具有很强的实用性，可广泛用于微波频段、太赫兹频段、红外及光波段。
附图说明
图1为第一种基于石墨烯的频率可重构天线的主视图；
图2为图1的俯视图及等效示意图；
图3为第二种基于石墨烯的频率可重构天线的主视图；
图4为第三种基于石墨烯的频率可重构天线的立体结构图；
图5为图4的主视图；
图6为图4的俯视图及等效示意图；
图7为第四种基于石墨烯的频率可重构天线的主视图。
图中标号：1、石墨烯层；2、非导电介质层；3、导电介质层；4、上界面；5、下界面；6、馈电端口。
具体实施方式
石墨烯具有独特的二维平面结构和电导率及电可调特性。根据Kubo公式可知在微波、太赫兹波段或红外波段，化学势对石墨烯电导率有明显的影响，化学势大小的改变将影响其电导率虚部的正负性。随着石墨烯的化学势变大，其电导率的虚部可变为正值，此时它将可以传导交流电。随着石墨烯的化学势减小，其电导率的虚部可变为负值，此时它将不能传导交流电。而石墨烯的化学势与其外加偏置电场成正比，外加偏置电场又由其外加偏置电压控制，所以给石墨烯外加偏置电压将可以控制其对交变电流的传导(影响关系简式如下，外加偏置电压U→偏置电场E→化学势uc→电导率σ→能否传导交流电)。利用上述关系，通过外加偏置电压可以控制石墨烯的传导交变电流的长度，使其有效地辐射不同谐振频率的电磁波，从而在保证方向图和增益稳定的同时实现天线的频率可重构。
一种基于石墨烯的频率可重构天线，包括天线本体。所述天线本体包括馈电端口6、上部的石墨烯层1、中部的非导电介质层2和下部的导电介质层3；其中非导电介质层2与石墨烯层1的相交面形成上界面4，非导电介质层2与导电介质层3的相交面形成下界面5；馈电端口6设置在石墨烯层1的端部；上界面4与下界面5之间的垂直距离从馈电端口6的正下方处，向另一侧渐变，即垂直距离从馈电端口6正下方一侧向另一侧逐渐增大或减小。此时，该基于石墨烯的频率可重构天线则等效为单极子天线，如图2所示。
在本发明中，所述天线本体的形状可以根据用户需求进行设定，但最好能够保证该六面体的四个侧面与水平面垂直，且这4个侧面两两垂直相交。如可以为正方体，长方体，上下为斜面、左右为垂直平面的梯形体，或者为其他的六面体。在本发明优选实施例中，所述天线本体为长方体。
对于非导电介质层2和导电介质层3的材质选择，只要能适于制作天线的材质即可。如在本发明中，所述非导电介质层2为氧化铝介质层或氧化硅介质层。在本发明优选实施例中，所述非导电介质层2为氧化铝介质层。在本发明中，所述导电介质层3为硅介质层。
非导电介质层2与石墨烯层1的相交面形成上界面4，非导电介质层2与导电介质层3的相交面形成下界面5。上界面4和下界面5之间的垂直距离的渐变性，是本发明最重要的改进点之一，当这一渐变的结构特点与石墨烯的特性相结合，便能够保证天线的频率连续可调。
上界面4和下界面5本身的结构，只要能够形成相对倾斜的结构即能保证上界面4和下界面5之间的垂直距离的渐变性。也就是说，在本发明中，所述上界面4为水平面、连续变化的倾斜面或阶梯变化的阶梯面。所述下界面5为连续变化的倾斜面或阶梯变化的阶梯面。在发明的一种优选实施例中，所述上界面4为水平面，所述下界面5为倾斜面，这样的上界面4和下界面5的结构，能够实现天线工作频率的连续可调，通过改变底部斜边的倾斜度可以改变调频速率，如图1所示。在发明的另一种优选实施例中，所述上界面4为水平面，所述下界面5为阶梯面，这样的上界面4和下界面5的结构，能够实现天线工作频率的离散可调，天线频率的可调级数则与阶梯面的级数有关，如图3所示。
如上界面4与下界面5之间的垂直距离可以从天线本体的一侧向其相对另一侧逐渐增大，也可以从天线本体的一侧向其相对另一侧逐渐减小，这两种距离渐变形式在本质上来说是一致的，只不过是视图方向不一致而已。若按照图1和图3的视图方向，则上界面4与下界面5之间的垂直距离从天线的左侧向右侧逐渐增大的。
将石墨烯层1与硅基底之间加上相等的偏置电压U。在偏置电场U作用下，石墨烯层1不同区域将产生不同偏置电场E，且电场值E为偏置电场U与石墨烯到底部硅的距离h之比(E＝U/h)。根据石墨烯能否传导表面电磁波决定于其所加偏置电场值，所以可以通过改变石墨烯层1不同区域外加偏置电场，使其传导表面电磁波长度得到改变。
馈电端口6设置在石墨烯层1端部，但馈电端口6具体设置在石墨烯层1内的哪一侧决定于石墨烯传导表面电磁波长度与外部施加的偏置电场的正反比关系。如石墨烯传导表面电磁波长度与外部施加的偏置电场E之间呈一定的正比，则馈电端口6设在上界面4与下界面5之间的垂直距离最小处。即当施加的偏置电场E逐渐增大时，石墨烯等效的天线传导电磁波的长度逐渐增大；当施加的偏置电场E逐渐减小时，石墨烯等效的天线传导电磁波的长度逐渐减小。参见图1和图3。如石墨烯等效的天线传导电磁波的长度与外部施加的偏置电场E之间呈一定的反比，则馈电端口6设在上界面4与下界面5之间的垂直距离最大处。即当施加的偏置电场E逐渐增大时，石墨烯等效的天线传导电磁波的长度逐渐减小；当施加的偏置电场E逐渐减小时，石墨烯等效的天线传导电磁波的长度逐渐增大。利用外加偏置电场E的改变将可以改变等效单极子天线的导电磁波的长度即臂长，从而实现辐射频率的重构。
另一种基于石墨烯的频率可重构天线，包括天线本体，所述天线本体包括馈电端口6、上部的石墨烯层1、中部的非导电介质层2和下部的导电介质层3；其中非导电介质层2与石墨烯层1的相交面形成上界面4，非导电介质层2与导电介质层3的相交面形成下界面5；馈电端口6设置在石墨烯层1的中间；上界面4与下界面5之间的垂直距离从中间的馈电端口6的正下方处，向两侧对称渐变，即垂直距离从中间向两侧呈对称地逐渐增大或减小。此时，该基于石墨烯的频率可重构天线则等效为偶极子天线，如图6所示。
在本发明中，天线本体的形状可以根据用户需求进行设定，如可以为正方体，长方体，上下为斜面、左右为垂直平面的梯形体，或者为其他的六面体。偶极子天线工作原理：偶极子天线是中间馈电，其两臂由两段等长导线构成的振子天线。每个臂长为L。两臂之间的间隙很小，理论上可以忽略不计，振子的总长度为2L，改变振子的臂长，其工作频率将改变。
对于非导电介质层2和导电介质层3的材质选择，只要能适于制作天线的材质即可。如在本发明中，所述非导电介质层2为氧化铝介质层或氧化硅介质层。在本发明优选实施例中，所述非导电介质层2为氧化铝介质层。在本发明中，所述导电介质层3为硅介质层。
非导电介质层2与石墨烯层1的相交面形成上界面4，非导电介质层2与导电介质层3的相交面形成下界面5。上界面4和下界面5之间的垂直距离的渐变性，是本发明最重要的改进点之一，当这一渐变的结构特点与石墨烯的特性相结合，便能够保证天线的频率连续可调。
上界面4和下界面5本身的结构，只要能够形成相对倾斜的结构即能保证上界面4和下界面5之间的垂直距离的渐变性。也就是说，在本发明中，所述上界面4为水平面、从中间向两侧连续变化的倾斜面或从中间向两侧阶梯变化的阶梯面。所述下界面5为从中间向两侧连续变化的倾斜面或从中间向两侧阶梯变化的阶梯面。在发明的一种优选实施例中，所述上界面4为水平面，所述下界面5为倾斜面，这样的上界面4和下界面5的结构，能够实现天线工作频率的连续可调，如图4和5所示。在发明的另一种优选实施例中，所述上界面4为水平面，所述下界面5为阶梯面，这样的上界面4和下界面5的结构，能够实现天线工作频率的离散可调，天线频率的可调级数则与阶梯面的级数有关，如图7所示。
上述天线本体相当于2个单极子天线呈左右对称设置而形成的偶极子天线，即位于左侧的单极子天线的右侧面与位于右侧的单极子天线的左侧面相贴；此时，这2个单极子天线的馈电端口6合为一体，并处于2个单极子天线的相贴面的正上方，即馈电端口6设置在石墨烯层1内，并位于石墨烯层1的中部。2个单极子天线呈左右对称方式可以有以下两种：一种是2个单极子天线的上界面4和下界面5是从中间向两侧逐渐增大的，即位于左侧的单极子天线的上界面4与下界面5之间的垂直距离从该单极子天线的左侧向右侧逐渐减小，位于右侧的单极子天线的上界面4与下界面5之间的垂直距离从该单极子天线的左侧向右侧逐渐增大；如图5和图7。另一种是2个单极子天线的上界面4和下界面5是从中间向两侧逐渐减小的，即位于左侧的单极子天线的上界面4与下界面5之间的垂直距离从该单极子天线的左侧向右侧逐渐增大，位于右侧的单极子天线的上界面4与下界面5之间的垂直距离从该单极子天线的左侧向右侧逐渐减小。
将馈电端口6两边的石墨烯层1与硅基底之间加上相等的偏置电压U。在偏置电压U作用下，石墨烯层1不同区域将产生不同偏置电场E，且电场值E为偏置电压U与上下界面5之间的垂直距离h之比(E＝U/h)。根据石墨烯能否传导表面电磁波决定于其所加偏置电场值，所以可以通过改变石墨烯层1不同区域外加偏置电压，使其传导表面电磁波长度得到改变。
该偶极子天线左右对称的方式决定于石墨烯传导表面电磁波长度与外部施加的偏置电压的正反比关系。如石墨烯传导表面电磁波长度与外部施加的偏置电压U之间呈一定的正比则将偶极子天线天线的上界面4和下界面5的垂直距离制成从中间向两侧逐渐增大结构，即当施加的偏置电压U逐渐增大时，天线传导电磁波长度逐渐增大；当施加的偏置电压U逐渐减小时，天线传导电磁波长度逐渐减小。如石墨烯传导表面电磁波长度与外部施加的偏置电压U之间呈一定的反比则将偶极子天线的上界面4和下界面5的垂直距离制成从中间向两侧逐渐减小结构，即当施加的偏置电压U逐渐增大时，天线传导电磁波长度逐渐减小；当施加的偏置电压U逐渐减小时，天线传导电磁波长度逐渐增大。利用外加偏置电压U的改变将可以改变等效偶极子天线传导电磁波长度即臂长，从而实现辐射频率的重构。

Claims (10)

1.基于石墨烯的频率可重构天线，包括天线本体，其特征在于：所述天线本体包括馈电端口(6)、上部的石墨烯层(1)、中部的非导电介质层(2)和下部的导电介质层(3)；其中非导电介质层(2)与石墨烯层(1)的相交面形成上界面(4)，非导电介质层(2)与导电介质层(3)的相交面形成下界面(5)；馈电端口(6)设置在石墨烯层(1)的端部；上界面(4)与下界面(5)之间的垂直距离从馈电端口(6)的正下方处，向另一侧渐变，即垂直距离从馈电端口(6)正下方一侧向另一侧逐渐增大或减小。
2.根据权利要求1所述基于石墨烯的频率可重构天线，其特征在于：所述上界面(4)为水平面、连续变化的倾斜面或阶梯变化的阶梯面。
3.根据权利要求1所述基于石墨烯的频率可重构天线，其特征在于：所述下界面(5)为水平面、连续变化的倾斜面或阶梯变化的阶梯面。
4.根据权利要求1所述基于石墨烯的频率可重构天线，其特征在于：所述非导电介质层(2)为氧化铝介质层或氧化硅介质层；所述导电介质层(3)为硅介质层。
5.根据权利要求1所述基于石墨烯的频率可重构天线，其特征在于：所述天线本体呈长方体。
6.基于石墨烯的频率可重构天线，包括天线本体，其特征在于：所述天线本体包括馈电端口(6)、上部的石墨烯层(1)、中部的非导电介质层(2)和下部的导电介质层(3)；其中非导电介质层(2)与石墨烯层(1)的相交面形成上界面(4)，非导电介质层(2)与导电介质层(3)的相交面形成下界面(5)；馈电端口(6)设置在石墨烯层(1)的中间；上界面(4)与下界面(5)之间的垂直距离从中间的馈电端口(6)的正下方处，向两侧对称渐变，即垂直距离从中间向两侧呈对称地逐渐增大或减小。
7.根据权利要求6所述基于石墨烯的频率可重构天线，其特征在于：所述上界面(4)为水平面、从中间向两侧连续变化的倾斜面或从中间向两侧阶梯变化的阶梯面。
8.根据权利要求6所述基于石墨烯的频率可重构天线，其特征在于：所述下界面(5)为水平面、从中间向两侧连续变化的倾斜面或从中间向两侧阶梯变化的阶梯面。
9.根据权利要求6所述基于石墨烯的频率可重构天线，其特征在于：所述非导电介质层(2)为氧化铝介质层或氧化硅介质层；所述导电介质层(3)为硅介质层。
10.根据权利要求6所述基于石墨烯的频率可重构天线，其特征在于：所述天线本体呈长方体。
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