CN105006652B - 基于石墨烯复合结构频率选择表面的方向图可重构天线 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于石墨烯复合结构频率选择表面的方向图可重构天线，用于解决现有技术不能灵活改变天线增益和波束带宽的问题。包括矩形波导馈线、矩形辐射单元、反射板、频率选择表面和直流偏压Vc；频率选择表面包括自上而下层叠的石墨烯复合结构、介质基板和正方形贴片阵列或石墨烯复合结构，石墨烯复合结构由依次叠加的石墨烯层、氧化铝层和多晶硅层组成，在石墨烯层和多晶硅层之间加载有直流偏压Vc；反射板上设置有矩形辐射单元，反射板上面通过四个支撑柱固定有频率选择表面，其下面固定有矩形波导馈线。本发明可以灵活改变天线的辐射增益和波束宽度，实现毫米波天线方向图的可重构。

Description

基于石墨烯复合结构频率选择表面的方向图可重构天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种通过石墨烯加载的复合型频率选择表面调整辐射方向图的可重构天线，可用于毫米波通信系统射频终端的信号发射和接收。

背景技术

天线作为一种用来发射或接收无线电波的部件是无线通信系统中不可缺少的组成部分。随着无线通信飞速发展,对天线的要求也越来越高。一方面,需要使天线能够工作在多个频带,具有多种工作模式并具有良好的传输性能。另一方面,又要减轻天线的重量、减小天线体积并降低成本。正是由于这样的需求,可重构天线的概念才被提出并且得到发展，经过这几年对可重构天线的研究和实验验证，可重构天线正是能解决这些问题的一个行之有效的方法。

可重构天线按功能分为：频率可重构天线(包括实现宽频带和实现多频带)、方向图可重构天线、极化可重构天线和多电磁参数可重构天线。通过改变可重构天线的结构可以使天线的频率、方向图、极化方式等多种参数中的一种或几种实现重构。这样可以通过切换天线不同的状态使天线具有多种工作模式，有利于在传输中实现多种有效的分集。因此，可重构天线作为一种新型天线即将成为下一代无线通信系统中的核心技术之一。

方向图可重构天线主要是通过控制天线表面电流分布控制天线的辐射方向，表现有两种，一种是改变天线最大辐射方向；另一种是改变天线的增益大小和波束宽度。

目前的方向图可重构天线主要通过加载可变电抗、机械可控结构、可调开关器件和可控频率选择表面来来实现，随着近几年超材料的快速发展和应用，加载可控频率选择表面作为实现可重构天线的一种方式引起了广泛的关注。

频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)是一种二维周期性阵列结构,就其本质而言是一个空间滤波器，与电磁波相互作用表现出明显的带通或带阻的滤波特性,被广泛应用在电磁频谱的各个波段上，如雷达罩带通滤波器、卫星通信用的频率分离器和极化分离器。

频率选择表面有两种：贴片类型也叫介质类型，开槽类型也叫波导类型。贴片类型是在介质表面周期性的标贴同样的金属单元，一般而言是作为带阻型滤波器的，低频透射，高频反射；开槽类型是在金属板上周期性的开一些金属单元的槽孔，从频率特性相应上看是带通型频率选择表面，低频反射，高频透射。

频率选择表面的应用有以下几类：

1.雷达罩：通过安装频率选择表面减少雷达散射截面积。

2.卡塞哥伦天线副反射面：实现波束的复用与分离。

3.准光滤波器：实现波束的复用与分离。

4.吸波材料：基于高损耗的介质，可以实现大带宽的吸波材料。

5.极化扭转：折线形的频率选择表面是一个线极化变成圆极化的极化扭转器。

6.天线主面：降低带外的噪声。

随着最近几年可重构天线的发展，有源可重构频率选择表面(Active FrequencySelective Surface)被提出来。有源可重构频率选择表面的谐振频率、带宽、带外抑制等电气性能可以通过外部控制实时发生改变,在复杂多变的电磁环境中具有较好的适应能力。但是因为频率选择表面的结构复杂，且通过调节每个单元的透射和反射特性来实现天线的方向图可重构目前还存在很多困难。随着表面电导率可调的石墨烯的出现，为通过这种有源频率选择表面实现天线方向图可重构提供了一种途径。

石墨烯作为一种二维平面碳结构具有很多优异特性，例如最薄材料(单层原子厚)；最硬材料、极高的载流子迁移率、具有柔韧性和透光性、电导率可以通过外部电场和磁场进行调节等。石墨烯的这些优良特性可以被用来设计各种新型纳米器件或者透明导电材料，例如透明电极，光学调制器，极化器，等离子器件，光子探测器，超棱镜和吸波器件等。可重构天线是未来天线发展的方向，通过加载电子器件或使用机械方法等来改变天线辐射体的结构，天线的谐振特性和辐射特性就会得到大幅扩展，不仅能满足当代通讯信道多变，高速率的要求，又能极大地降低通讯平台上天线的数量，简化电磁环境，具有重要的实用价值。

目前有很多文献都是基于改变天线最大辐射方向的方向图可重构天线，实现了最大辐射方向的改变但是天线的增益却无法达到要求指标，例如在2015年，Xu-Chen Wang,Wen-Sheng Zhao等人在IEEETRANSACTIONS ON NANOTECHNOLOGY期刊(VOL.14,NO.1,JANUARY 2015)上发表了题目为“Reconfigurable Terahertz Leaky-Wave Antenna UsingGraphene-Based High-Impedance Surface”的文章，该文中提出了一种用石墨烯高阻抗表面作为地板形成一种在太赫兹频段方向图可重构的天线，主要是对方向图的最大辐射方向进行改变，但是不能改变天线的增益和波束宽度，因而应用范围较窄。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提出了一种基于石墨烯复合结构频率选择表面的方向图可重构天线，用于解决现有方向图可重构天线不能灵活改变天线的增益和波束宽度的问题，可以满足现代通信系统对毫米波天线方向图灵活多变的需求。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于石墨烯复合结构频率选择表面的方向图可重构天线，包括波导馈线、辐射单元、反射板和频率选择表面，频率选择表面5包括介质基板50、粘贴在其上表面的石墨烯复合结构和印制在其下表面的正方形贴片阵列54或粘贴在其下表面的石墨烯复合结构，石墨烯复合结构由自上而下依次叠加的石墨烯层51、氧化铝层52和多晶硅层53组成,在石墨烯层51和多晶硅层53之间增加有直流偏压Vc6；频率选择表面5通过四个支撑柱4固定在反射板3的上方，形成法布里-珀罗FP谐振腔；反射板3的中心位置设置有矩形辐射单元2，在反射板3的下表面矩形辐射单元2位置固定有矩形波导馈线1。

上述的基于石墨烯复合结构频率选择表面的方向图可重构天线，介质基板50上下表面粘贴的石墨烯复合结构相互对称。

上述的基于石墨烯复合结构频率选择表面的方向图可重构天线，印制在介质基板50下表面的正方形贴片阵列是由N×N个正方形贴片周期排列而成，其中N≥2。

上述的基于石墨烯复合结构频率选择表面的方向图可重构天线，矩形波导馈线1的长和宽分别a和b，且满足：λ/2＜a＜λ，a/b≈2.2,其中λ为矩形波导馈线1的主模工作波长。

上述的基于石墨烯复合结构频率选择表面的方向图可重构天线，反射板3采用正方形金属板材。

上述的基于石墨烯复合结构频率选择表面的方向图可重构天线，矩形辐射单元2的尺寸满足a/2＜a₁＜3a/4，b/4＜b₁＜b/2，其中a₁和b₁分别为矩形辐射单元2的长和宽。

上述的基于石墨烯复合结构频率选择表面的方向图可重构天线，支撑柱4采用非金属材料，其高度满足：h₂≈λ₁/2，其中λ₁是天线的工作波长。

上述的基于石墨烯复合结构频率选择表面的方向图可重构天线，介质基板50的厚度满足h₃≈λ_g/2,其中λ_g是介质基板5中的相对波长。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明由于频率选择表面采用包括介质基板、粘贴在该介质基板上表面的石墨烯复合结构和印制在介质基板下表面的正方形单元阵列的结构，或粘贴在介质基板下表面的石墨烯复合结构，其中石墨烯复合结构由自上而下依次叠加的石墨烯层、氧化铝层和多晶硅层组成，在石墨烯层和多晶硅层之间增加有直流偏压，当辐射单元向外辐射的电磁波经过频率选择表面时，通过改变直流偏压的电压值来改变石墨烯的表面电导率，进而改变了频率选择表面的反射特性和透射特性，可以有效的调控天线的辐射增益，改变了天线增益的波束宽度。

2.本发明由于频率选择表面是通过四个一定高度的支撑住固定在反射板上方，在反射板和频率选择表面之间形成了空气中FP谐振腔；同时由于介质基板的上表面粘贴有烯复合结构的，介质基板的下表面印制有正方形贴片阵列或以介质基板对称粘贴有石墨烯复结构，在介质基板中形成了一个介质FP谐振腔，在不增加天线横向尺寸的前提下，两个FP谐振腔进一步提高了天线的增益。

附图说明

图1为本发明第一实施例的整体结构示意图；

图2为本发明第一实施例采用的频率选择表面的结构示意图；

图3为本发明第二实施例采用的频率选择表面的结构示意图；

图4为本发明反射板和矩形辐射单元的结构示意图；

图5为本发明矩形波导馈线的结构示意图；

图6为本发明第一实施例的E面和H面仿真方向图；

图7为本发明第二实施例的E面和H面仿真方向图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述：

实施例1：

参照图1，本发明包括矩形波导馈线1、矩形辐射单元2、反射板3、四个支撑柱4、频率选择表面5和直流偏压Vc6，其中频率选择表面5包括介质基板50、粘贴在介质基板上表面的石墨烯复合结构和印制在介质基板下表面的正方形贴片阵列54，石墨烯复合结构由自上而下依次叠加的石墨烯层51、氧化铝层52和多晶硅层53组成,在石墨烯层51和多晶硅层53之间增加有直流偏压Vc6，用于调节石墨烯的表面电导率；石墨烯复合结构中的氧化铝层52用来隔绝多晶硅层53和石墨烯层51，形成一个偏压；频率选择表面5通过四个支撑柱4固定在反射板3的上方，形成法布里-珀罗FP谐振腔；四个支撑柱4采用介电质常数为2.2，高度为h₂＝5.6mm的介质柱，该高度和空气中FP谐振腔的高度保持一致；反射板3的中心位置设置有矩形辐射单元2，在反射板3的下表面矩形辐射单元2位置固定有矩形波导馈线1。

参照图2，介质基板50采用介电质常数为2.2，正且损耗角为0.0009，厚度为h₃＝4.5mm单面覆铜的介质基板；印制在介质基板下表面的正方形贴片阵列54由边长为d＝4mm，间隙为g＝1mm的4×4个正方形铜贴片单元组成，组成的整体阵列宽度w＝20mm。

参照图2，石墨烯复合结构中石墨烯层51厚度为单个原子量级的厚度，其电导率可表示为

其中T为热力学温度满足T＝300K，k_B为玻尔兹曼常数，是简化布朗克常量，Γ是散射率，e是电子的带电量，ω＝2πf是角频率，f是工作频率，μ_c是化学势能；石墨烯复合结构中粘贴在石墨烯层51下表面氧化铝层52厚度为h₄＝50nm，其介电质常数为8.9，正且损耗角为0.01；石墨烯复合结构中粘贴在氧化铝层52下面的多晶硅层53厚度为h₅＝30μm，其介电质常数为3.75，正且损耗角为0.004。

参照图2，石墨烯复合结构中的石墨烯层51和多晶硅层53外增加有直流偏压Vc6，直流偏压Vc6的正极连接在沉积在石墨烯层51上的一小块金属薄膜电极上，负极连接在沉积在多晶硅层53上的一小块金属薄膜电极上，氧化铝层52不导电，正好在石墨烯层51和多晶硅层53之间形成一个正向偏压，该正向偏压的改变会直接改变石墨烯的表面电导率σ_s，从而改变石墨烯复合结构频率选择表面的反射和透射特性，进而提高天线的增益，改变天线增益的波束宽度。

参照图4，矩形辐射单元2设置于反射板3的中心位置，矩形辐射单元的尺寸满足：a/2＜a₁＜3a/4，b/4＜b₁＜b/2，根据全波仿真结果得到具体的值为a₁＝4.8mm，b₁＝1.2mm；这样就得到一个辐射在30GHz的毫米波加载波导馈线的缝隙天线，其中反射板3是一层厚度为1mm的正方形均匀铜片，宽度w＝20mm。

参照图5，固定在反射板3的下表面矩形辐射单元2位置处的矩形波导馈线1采用BJ320波导，尺寸a＝7.112mm，b＝3.556mm，满足：λ/2＜a＜λ，且a/b≈2.2，该波导的主模TE10模式辐射频率是26.3GHz～40.0GHz；

频率选择表面5由粘贴在介质基板50上表面的石墨烯层51、氧化铝层52、多晶硅层53和印制在其下表面的正方形贴片阵列54组成，该频率选择表面5的整体宽度和反射板3宽度相同都是w＝20mm，该频率选择表面5的整体厚度近似于介质基板的厚度h₃＝4.5mm，因为石墨烯层51、氧化铝层52、多晶硅层53和正方形贴片阵列54的厚度可以忽略，所以介质基板的厚度即该介质FP谐振腔的高度由介质中的相对工作波长λ_g决定，近似公式为h₃＝λ_g/2，该频率选择表面距离反射板3的高度即四个支撑柱4的高度h₂＝5.6mm，该高度由空气中的工作波长λ决定，满足：h₂＝λ/2，印制在介质基板下表面的正方形贴片阵列54的宽度d和间距g是由周期性单元经过全波仿真得到的最佳值，采用的全波仿真软件为HFSS。为了实现FP谐振的高增益和最优带宽，通过调节阵列单元仿真的尺寸为d＝4mm，g＝1mm，这样才能得到单元的反射系数在天线的工作频率为30GHz时满足R＝-0.43dB，换算成具体幅值是9.5，带入公式D_max＝(1+R)/(1-R)可以确定最后我们加载的正方形金属贴片阵列能够增加的具体的最大增益值为14.01dBi，且此时正方形贴片阵列54单元的相位Φ_R在辐射频率在30GHz附近没有明显波动变化且近似于-π，该增加值就是基于仿真和计算结合为满足高增益和带宽优化后的最佳值。

实施例2：

实施例2除频率选择表面的结构以外，其他结构和实施例1相同，实施例2采用的频率选择表面的结构示意图如图3所示，

参照图3，该实施例中的频率选择表面仅仅是将原来印制在介质基板下表面的正方形贴片阵列54用石墨烯复合结构替换，紧挨介质基板的是多晶硅层53，依次向下是氧化铝层52和石墨烯层51；该复合结构的宽度和反射板3宽度相同，介质基板的厚度和实施例1相同h₃＝4.5mm，该厚度由介质中的工作波长λ_g决定，近似公式为h₃＝λ_g/2；支撑柱4、反射板3、矩形辐射单元2、矩形波导馈线1全部和实施例1完全相同，关于介质基板50对称且粘贴于介质基板上下表面的石墨烯复合结构增加的直流偏压Vc6链接结构和实施例1不同，电压源正极引出两根线路统一连接在粘贴在介质基板上下表面石墨烯复合结构中的石墨烯层51的电极上上，负极同样引出两个线路统一连接在对应的多晶硅层53的电极上，改变直流偏压Vc6的大小，控制石墨烯的化学势能μ_c来改变石墨烯层的表面电导率σ_s。

以下结合仿真计算对本发明的技术效果作进一步描述：

1.仿真内容

1)采用HFSS全波仿真软件，对本发明的实施例1的E面和H面方向图进行仿真，其结果如图6所示。

2)采用HFSS全波仿真软件，对本发明的实施例2的E面和H面方向图进行仿真，其结果如图7所示。

2.仿真结果

参照图6，天线的E面方向图如图6(a)所示，在不加载石墨烯复合结构的频率选择表面时，天线的主瓣增益为4.17dBi，3dB波束宽度为86deg；在加载石墨烯复合结构的频率选择表面后，当石墨烯层51表面电阻率在100Ω/sq，主瓣增益为6.59dBi，3dB波束宽度为32deg，表面电阻率在500Ω/sq，主瓣增益为11.62dBi，3dB波束宽度为28deg，表面电阻率在5000Ω/sq，主瓣增益为13.83dBi，3dB波束宽度为26deg，随着石墨烯表面电阻率从100Ω/sq～5000Ω/sq变化，增益从6.59dB增加到13.83dB，波束宽度从32deg减小到26deg。天线的H面方向图如图6(b)，所示，在不加载石墨烯复合结构的频率选择表面时，天线的主瓣增益为4.17dBi，3dB波束宽度为158deg，在加载石墨烯复合结构的频率选择表面后，当石墨烯层51表面电阻率在100Ω/sq，主瓣增益为6.59dBi，3dB波束宽度为80deg，表面电阻率在500Ω/sq，主瓣增益为11.62dBi，3dB波束宽度为36deg，表面电阻率在5000Ω/sq，主瓣增益为13.83dBi，3dB波束宽度为32deg，随着石墨烯表面电阻率从100Ω/sq～5000Ω/sq变化，增益从6.59dBi增加到13.83dBi，波束宽度从80deg减小到32deg。

可见，本实施例中的天线增益和波束宽度均可在表面电阻率改变的情况下实现可重构。

参照图7，天线的E面方向图如图7(a)所示，在不加载石墨烯复合结构的频率选择表面时，天线的主瓣增益为4.17dBi，3dB波束宽度为86deg；在加载石墨烯复合结构的频率选择表面后，当石墨烯层51表面电阻率在100Ω/sq，主瓣增益为7.26dBi，3dB波束宽度为22deg，表面电阻率在500Ω/sq，主瓣增益为10.26dBi，3dB波束宽度为32deg，表面电阻率在5000Ω/sq，主瓣增益为12.02dBi，3dB波束宽度为36deg，随着石墨烯表面电阻率从100Ω/sq～5000Ω/sq变化，增益从7.26dB增加到12.02dB，波束宽度从22deg减小到36deg。天线的H面方向图如图7(b)所示，在不加载石墨烯复合结构的频率选择表面时，天线的主瓣增益为4.17dBi，3dB波束宽度为158deg，在加载石墨烯复合结构的频率选择表面后，当石墨烯层51表面电阻率在100Ω/sq，主瓣增益为7.26dBi，3dB波束宽度为22deg，表面电阻率在500Ω/sq，主瓣增益为10.26dBi，3dB波束宽度为32deg，表面电阻率在5000Ω/sq，主瓣增益为12.02dBi，3dB波束宽度为36deg，随着石墨烯表面电阻率从100Ω/sq～5000Ω/sq变化，增益从7.26dBi增加到12.02dBi，波束宽度从22deg减小到36deg。

可见，本实施例中的天线增益和波束宽度均可在表面电阻率改变的情况下实现可重构。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于石墨烯复合结构频率选择表面的方向图可重构天线，包括波导馈线、辐射单元、反射板和频率选择表面，其特征在于：所述频率选择表面(5)包括介质基板(50)、粘贴在其上表面的石墨烯复合结构和印制在其下表面的正方形贴片阵列(54)或粘贴在其下表面的石墨烯复合结构，所述石墨烯复合结构由自上而下依次叠加的石墨烯层(51)、氧化铝层(52)和多晶硅层(53)组成,在石墨烯层(51)和多晶硅层(53)之间增加有直流偏压Vc(6)；频率选择表面(5)通过四个支撑柱(4)固定在反射板(3)的上方，形成法布里-珀罗FP谐振腔；反射板(3)的中心位置设置有矩形辐射单元(2)，在反射板(3)的下表面矩形辐射单元(2)位置固定有矩形波导馈线(1)。

2.根据权利要求1所述的基于石墨烯复合结构频率选择表面的方向图可重构天线，其特征在于介质基板(50)上下表面粘贴的石墨烯复合结构相互对称。

3.根据权利要求2所述的基于石墨烯复合结构频率选择表面的方向图可重构天线，其特征在于印制在介质基板(50)下表面的正方形贴片阵列是由N×N个正方形贴片周期排列而成，其中N≥2。

4.根据权利要求1所述的基于石墨烯复合结构频率选择表面的方向图可重构天线，其特征在于所述矩形波导馈线(1)的长和宽分别a和b，且满足：λ/2＜a＜λ，a/b≈2.2,其中λ为矩形波导馈线(1)的主模工作波长。

5.根据权利要求4所述的基于石墨烯复合结构频率选择表面的方向图可重构天线，其特征在于所述矩形辐射单元(2)的尺寸满足a/2＜a₁＜3a/4，b/4＜b₁＜b/2，其中a₁和b₁分别为矩形辐射单元(2)的长和宽。

6.根据权利要求1所述的基于石墨烯复合结构频率选择表面的方向图可重构天线，其特征在于所述反射板(3)采用正方形金属板材。

7.根据权利要求1所述的基于石墨烯复合结构频率选择表面的方向图可重构天线，其特征在于所述支撑柱(4)采用非金属材料，其高度满足：h₂≈λ₁/2，其中λ₁是天线的工作波长。

8.根据权利要求1所述的基于石墨烯复合结构频率选择表面的方向图可重构天线，其特征在于所述介质基板(50)的厚度满足h₃≈λ_g/2,其中λ_g是介质基板(50)中的相对波长。