CN104953267B - 一种电容耦合馈电的透明纳米材料天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电容耦合馈电的透明纳米材料天线。该天线为透明碳纳米材料天线，该天线使用电容耦合方式实现无接触馈电，通过电容电极的大小、形状和电极之间的距离、介电材料、介电常数设计和优化，达到天线阻抗匹配。该天线包括石墨烯天线或碳纳米管天线或石墨烯和碳纳米管组合的天线，该天线是由一层或几层石墨烯或碳纳米管材料构成的纳米尺寸的天线。本发明克服了碳纳米材料与传统馈电结构金属材料界面不相容、接触电阻高、阻抗匹配困难等问题。本发明性能优异，薄而且透明、可弯曲、可折叠、可印刷、可粘贴、可嵌入于智能手机、智能眼镜、和穿戴式电子装置等，达到美观、实用和通讯的功能。

Description

一种电容耦合馈电的透明纳米材料天线

技术领域

本发明涉及透明纳米材料如石墨烯或碳纳米管天线的设计，特别是一种电容耦合馈电设计和阻抗匹配方法。

背景技术

石墨烯(Graphene)是一种单原子层结构超材料，具有很多优异的电、热、机械等材料特性和广阔的工业应用前景，特别是在电子、通讯和智能装置领域。例如文献，K.S.Novoselov等，Nature，Vol490,2012,pp.192，论述了石墨烯材料的优异性能和发展路线图。石墨烯是目前已知导电性能最出色的材料，由石墨烯材料制成的天线，能够以太赫兹(THz)的频率工作。另一方面，碳纳米管有优异的电磁波传播性能。最近，宏观尺度的碳纳米管线制备取得了突破性进展，展现了优越的电子和机械性能(例如参考文献N.Behabtu等，Science，Vol339,2013,pp.182)。因此，碳纳米管线也是优异的纳米天线材料，可以达到通讯装置的天线尺寸要求。

随着智能和穿戴式装置的不断创新发明和生产应用，装置的设计美观、低功耗、内部空间要求也越来越高，天线的设计尤其重要，往往决定了装置的基本尺寸和通讯性能如数据速率和信号强度。具有透明、超薄、可弯曲、可折叠、耐高温、抗腐蚀、电磁性能优越的碳纳米材料天线成为这些通讯智能装置的优先选择，有巨大市场和广阔应用。

然而，碳纳米材料用于天线设计，两个射频性能的关键问题需要解决。第一个是传统的金属材料如铜与碳纳米材料的结构连接问题。碳纳米管与金属材料在热熔化状态下的润湿问题研究发现，传统使用的高表面张力金属材料都与碳纳米管不润湿、难以焊接(参考文献E.Dujardin等，Science，Vol265,1994，pp.1850)。由于天线标准阻抗是50欧姆，透明石墨烯薄膜厚度在一纳米左右，阻抗很高。将导致传统的微带导线等难以和石墨烯阻抗匹配、必然损耗大。

因此，合理有效地应用优异性能的碳纳米材料来设计碳纳米管和石墨烯天线，必须解决两个核心问题，即：阻抗匹配和馈电方法。

发明内容

本发明就是为解决上述碳纳米材料天线设计的技术困难而提出的解决方案。

本发明的技术方案如下：

本发明提供一种电容耦合馈电的透明纳米材料天线，所述天线为透明碳纳米材料天线，所述天线使用电容耦合方式实现无接触馈电，通过电容电极的大小、形状和电极之间的距离、介电材料、介电常数设计和优化，达到天线阻抗匹配。

作为本发明的进一步改进，所述天线包括石墨烯天线或碳纳米管天线或石墨烯和碳纳米管组合的天线，所述天线是由一层或几层石墨烯或碳纳米管材料构成的纳米尺寸的天线。

本发明还提供一种宏观尺寸的电容耦合馈电的透明纳米材料天线，该天线由上述碳纳米材料天线构成。

作为本发明的进一步改进，所述天线为回形针形，天线是多波段、可调谐，由电容耦合方式馈电，使用电极参数优化，易于达到天线阻抗匹配。

作为本发明的进一步改进，所述天线为F形，天线由电容耦合方式实现馈电或/和接地。

作为本发明的进一步改进，电容耦合馈电的两个电极之间的距离从0到1毫米或若干毫米，通过调谐和优化设计达到阻抗匹配。

作为本发明的进一步改进，电容耦合馈电的两个电极之间的介质，是任何介电常数的介电材料或空气。

本发明还提供一种电容耦合馈电的透明纳米材料天线阵列，所述天线阵列包括通讯装置的智能天线列阵或相控阵天线或自适应天线，所述天线阵列由若干上述宏观尺寸的碳纳米材料天线构成。

本发明的有益效果如下：

本发明通过无接触馈电方法，解决了传统金属材料和碳纳米材料界面不相容、接触电阻高问题。本发明所述的纳米材料结构天线，薄而透明、可弯曲、可折叠、可印刷、可激光制作、可粘贴或嵌入于智能手机、智能眼镜、和穿戴式电子装置的壳体，达到透明、美观、实用、零体积、高性能、并完成通讯的功能。

附图说明

图1是示例一种石墨烯透明天线设计和电容耦合馈电方法。

图2是示例一种碳纳米管线天线设计和电容耦合馈电方法。

图3是示例一种透明石墨烯或碳纳米线天线、可弯曲、电容耦合馈电方式，与手机或穿戴式等智能电子装置壳体等结合。

图4是示例透明石墨烯或碳纳米线天线性能和阻抗匹配，可发射/接收两个射频带或波段，天线发射方向性可设计。

图5是示例使用电容耦合方法透明石墨烯天线的更多范例：电容耦合馈电或/和接地的平面F天线。

图6是示例一种使用电容耦合的平面F天线构成的天线列阵。

具体实施方式

以下描述和附图用于说明本发明，但并不限制本发明。在某些情况下，并没有描述公知和常规细节。

本发明一种电容耦合馈电的透明纳米材料天线，包括石墨烯天线或碳纳米管天线或石墨烯和碳纳米管组合的天线，天线基于新颖碳纳米材料，提供优异的性能和设计形式，达到零容积天线。使用电容耦合方式进行馈电，与碳纳米材料天线单元实现非接触馈电设计；通过电容电极的大小、形状和电极之间的距离、介电材料、介电常数设计和优化，达到天线阻抗匹配。

上述天线使用一层或几层石墨烯或碳纳米管材料制作，天线薄到纳米尺寸，可以透明、可以弯曲、可以折叠、可以嵌入薄膜材料内。

上述新颖的碳纳米材料具有优异的性能，超级电导、热导、机械强度、低功耗、高效率。

本发明一种宏观尺寸的电容耦合馈电的透明纳米材料天线，由上述碳纳米材料天线构成。

上述宏观尺寸的电容耦合馈电的透明纳米材料天线可以设计成回形针形，是多波段、可调谐，由电容耦合方式馈电，使用电极参数优化，易于达到天线阻抗匹配。

上述宏观尺寸的电容耦合馈电的透明纳米材料天线还可以设计成F形，天线是由电容耦合方式实现馈电或/和接地。

上述宏观尺寸的电容耦合馈电的透明纳米材料天线，电容耦合馈电的两个电极之间的距离从0到1毫米或数毫米，可以调谐和优化设计达到阻抗匹配。

上述宏观尺寸的电容耦合馈电的透明纳米材料天线，电容耦合馈电的两个电极之间的介质，可以是任何介电常数的介电材料或空气。

任何上述宏观尺寸的电容耦合馈电的透明纳米材料天线单元能够构成通讯装置的智能天线列阵(smart antenna array))或相控阵天线(phased array)或自适应天线(adaptive antennas)。

本发明的电容耦合馈电的透明纳米材料天线，其设计和制造能够与手持无线通讯装置如智能手机或智能穿戴式装置如智能手表、智能眼镜等的完美结合。

本发明的电容耦合馈电的透明纳米材料天线，可以打印制造或激光加工，可以粘结于装置外表面或内表面，可以嵌入装置的壳体之中。

本发明的电容耦合馈电的透明纳米材料天线及其电容耦合馈电方式，天线及其集成的通讯装置的射频中心频率和频段没有限制，典型天线频率(段)为950MHz、2GHz、2.4GHz，5.8GHz、24GHz，以及毫米波频段，即等于或高于30GHz，例如60GHz。

下面结合附图，详细介绍本发明的各实施例。

图1的100示例一个代表性的透明石墨烯天线单元设计。天线形状似回形针，101标识电容耦合的天线部分。101电极可以在这个天线单元100上移动，达到至少两个射频波段发射或/和接收的目的，并可以通过适当选择101部分达到射频调谐的设计目的。图1的102部分示例电容耦合馈电的另一个电极。电极101和电极102平行，相距一个小距离，可以从0到1毫米到数毫米。两个电极101、102之间的距离，电极的大小、形状，和电极之间介电材料的介电常数，都可以设计和优化，以达到天线阻抗匹配、功能优化、射频可调、和结构设计等目的。进一步地，电极102可以用传统金属材料如铜、银等制作，可以方便射频信号馈入线的直接焊接。射频信号馈入线可以是50欧姆同轴导线，也可以是带阻抗匹配的其它馈电线如微带导线等。

图2的天线单元201形状和图1基本相同。基本区别是天线单元材料是碳纳米管线。碳纳米管线可以是纺纱法制作的。随着碳纳米管生长技术的进步，也可以是中空的多壁或单壁金属长碳纳米管组成的。电极202可以是石墨烯，以达到天线单元透明的目的。电极203可以用传统金属材料如铜等，方便射频信号馈入线的直接焊接。电容耦合馈电的设计方法和设计参数优化与图1描述的相同，石墨烯和碳纳米管天线单元有不同的阻抗，然而，优化设计的步骤是相似的。

图3示例图1的透明石墨烯天线或图2的碳纳米线天线如何结合智能装置达到透明、有效利用装置的空间，例如把透明天线集成在装置的壳体上。典型地，天线单元301集成于壳体303外表面，电容耦合馈电的电极302集成于壳体303内表面，以利射频信号馈入线的直接链接。进一步地，天线外表面可以涂一层透明的介电薄膜保护等。更进一步地，天线单元301可以直接嵌入智能装置壳体303中。壳体303的介电常数，电极形状、大小、距离等都可以设计和优化。如此，透明、可弯曲、优异性能、电容耦合馈电调谐优化并阻抗匹配的天线，与手机或穿戴式等智能电子装置壳体形成完美结合。

图4示例透明石墨烯天线、电容耦合馈电调谐优化、阻抗匹配的天线设计和仿真结果。图4示例表明本发明天线设计达到了阻抗匹配，能够发射、接收智能手机的两个典型射频带401和402或称射频段。天线辐射方向性如403所示。

图5进一步示例了另一种典型的透明石墨烯F天线501设计。502是F天线的馈电部分，504是接地部分。电容耦合方法既可以用于馈电503，也可以用于接地部分505，常用通孔(via)方法进行结构设计。

图6，进一步地，用图5所示电容耦合的石墨烯等透明平面F天线，例如，601、602、603和604可以构成本发明的2维或3维(没有示出)的天线列阵600。并且，可以集成于智能装置的壳体(没有示出)。这些天线单元能够进一步地与智能软件集成通讯装置的智能天线列阵(smart antenna array)或相控阵天线(phased array)或自适应天线(adaptiveantennas)。

本发明所示的电容耦合馈电调谐优化设计，可以用于石墨烯天线、碳纳米管天线、石墨烯和碳纳米管组合天线。也可用于传统材料如铜或银浆打印制造的天线。天线形状除已经示例的F形和回形针形天线外，也可以是环形、椭圆形、矩形、多边形、和三维形状如倒F型(PIFA，没有示出)。对天线形状没有限制，本发明的电容耦合馈电调谐优化和阻抗匹配方法都可以应用。

本发明进一步地提供了电容耦合馈电的碳纳米材料天线的制造方法。

所述的石墨烯材料天线，可以激光加工、打印制造等，包括下述示例工序：

(1)化学气相沉积法(CVD)等生长高质量石墨烯薄膜；

(2)激光精密加工石墨烯薄膜到所设计的天线尺寸和形状；

(3)粘结加工完成的石墨烯天线于装置内外表面，或嵌入装置的壳体；

(4)用传统导电金属材料如铜制作电容耦合馈电电极，并与50欧姆阻抗匹配连接。

所述碳纳米管线天线的制作，与石墨烯天线类似，包括下述示例工序：

(1)化学气相沉积法(CVD)等生长高质量碳纳米管；

(2)用纺纱法制作高质量、高导电性碳纳米管线(例如，N.Behabtu等，Science，Vol339,2013,pp.182)

(3)用碳纳米管线材精确制作设计的天线；

(4)用传统导电金属材料如铜制作电容耦合馈电电极，并与50欧姆阻抗匹配连接。

综上所述，本发明公开了一种电容耦合馈电的透明纳米材料天线。该纳米材料天线包括石墨烯或碳纳米管或它们的组合形成的天线单元，由电容耦合方式实现无接触馈电。克服了碳纳米材料与传统馈电结构金属材料界面不相容、接触电阻高、阻抗匹配困难等问题。该纳米结构天线，性能优异，薄而且透明、可弯曲、可折叠、可印刷、可粘贴、可嵌入于智能手机、智能眼镜、和穿戴式电子装置等，达到美观、实用、和通讯的功能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种宏观尺寸的电容耦合馈电的透明纳米材料天线，其特征在于，

由如下所述碳纳米材料天线构成：

所述天线包括石墨烯天线或碳纳米管天线或石墨烯和碳纳米管组合的天线，所述天线是由一层或几层石墨烯或碳纳米管材料构成的纳米尺寸的天线；

所述天线包含两个相互平行的电容耦合馈电电极，其中一个电极可以在所述天线上移动，达到发射或/和接收至少两个射频波段的目的，电容耦合馈电的两个电极之间的距离从0到1毫米或若干毫米，通过调谐和优化设计达到阻抗匹配。

2.根据权利要求1所述的宏观尺寸的电容耦合馈电的透明纳米材料天线，其特征在于，电容耦合馈电的两个电极之间的介质，是任何介电常数的介电材料或空气。

3.一种电容耦合馈电的透明纳米材料天线阵列，所述天线阵列包括通讯装置的智能天线阵列或相控阵天线或自适应天线，其特征在于，所述天线阵列由若干权利要求1至2中任意一项所述的宏观尺寸的电容耦合馈电的透明纳米材料天线构成。