CN105161832B - 基于石墨烯覆层的可重构天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于石墨烯覆层的可重构天线，包括天线本体，该天线本体包括接地板和直立于接地板上的单极子；所述天线本体还进一步包括一上下贯通、并呈中空柱状的电介质套筒，电介质套筒位于接地板的上方且置于单极子的外围；电介质套筒的内外侧表面中的一侧表面涂覆有石墨烯覆层，另一侧表面涂覆有硅覆层；上述石墨烯覆层和硅覆层各与外置偏置电压的一端相连，且与外置偏置电压的正极相连的石墨烯覆层或硅覆层与接地板之间存在一定的间隙。通过将石墨烯覆层和硅覆层分隔成多块，并控制其外置偏置电压，使得天线具有宽频带、频率可重构和/或辐射方向图可重构的特点。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种基于石墨烯覆层的可重构天线。
背景技术
随着电子科学与技术的发展和进步，对通信系统中起关键作用的天线终端提出了越来越高的要求，如要求天线既要具有宽频带或频率可重构性能，又要具有方向图可重构特性，这些性能的实现对减少天线数量、缩小通信系统体积、降低系统复杂度和通信系统成本等方面具有重要意义。为实现以上特性，可以在一个天线或者天线阵上，通过自主地调节天线的部分参数，例如天线的尺寸、结构或者给天线外加高阻抗表面等，使其实现频率和辐射方向的可控。
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，得到不同的谐振频率对应的几何尺寸，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。虽然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，对其频率上不能做到连续的调控。
方向图可重构天线的主要特点是在保持工作频率不变的条件下，实现对天线最大辐射方向的扫描。目前，文献中报道的方向图可重构天线具体实现形式有以下几种：采用多个馈点馈电的方式，通过调整天线不同馈点的相位来改变天线的辐射方向图；利用开关或电抗可调器件，加载在与八木天线阵类似的主辐射单元周边的寄生单元上，以此得到不同的辐射方向图；用各种开关元器件改变天线辐射体形状，调节天线的辐射方向；加载开关或可变电容等电抗值可调的元件，调节天线表面电流分布，得到对应的不同方向图；使用机械方式，例如马达等，改变或者选择天线形状，得到不同形状的天线所对应的辐射方向图。然而这些改变方向图的方法均需要额外增加多余的元件才能实现，因而实施起来相对麻烦。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于石墨烯覆层的可重构天线，其具有天线宽频带、频率可重构和/或辐射方向图可重构的特点。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
基于石墨烯覆层的可重构天线，包括天线本体，该天线本体包括接地板和直立于接地板上的单极子；所述天线本体还进一步包括一上下贯通、并呈中空柱状的电介质套筒，电介质套筒位于接地板的上方且置于单极子的外围；电介质套筒的内外侧表面中的一侧表面涂覆有石墨烯覆层，另一侧表面涂覆有硅覆层；上述石墨烯覆层和硅覆层各与外置偏置电压的一端相连，且与外置偏置电压的正极相连的石墨烯覆层或硅覆层与接地板之间存在一定的间隙。
作为改进，所述硅覆层被纵向分隔成多个相互独立且绝缘的等份，每一等份形成一个纵向延伸的硅片；每个硅片与一个外置偏置电压的一端相连，所有外置偏置电压的另一端均与石墨烯覆层相连。
作为进一步改进，每个硅片的延伸方向均与单极子的延伸方向平行。
作为改进，所述石墨烯覆层被纵向分隔成多个相互独立且绝缘的等份，每一等份形成一个纵向延伸的石墨烯片；每个石墨烯片与一个外置偏置电压的一端相连，所有外置偏置电压的另一端均与硅覆层相连。
作为进一步改进，每个石墨烯片的延伸方向均与单极子的延伸方向平行。
作为改进，硅覆层被纵向分隔成多个相互独立且绝缘的等份，每一等份形成一个纵向延伸的硅片；同时，石墨烯覆层被纵向分隔成多个相互独立且绝缘的等份，每一等份形成一个纵向延伸的石墨烯片；电介质套筒的一侧表面涂覆的硅片的份数和另一侧表面涂覆的石墨烯片的份数的相等；每个硅片与一个外置偏置电压的一端相连，该外置偏置电压的另一端与对应的石墨烯片相连。
上述方案中，所述电介质套筒为圆柱体或多面柱体。
上述方案中，电介质套筒的半径等于单极子与石墨烯覆层耦合频率对应波长的1/2。
上述方案中，电介质套筒的高度等于或大于单极子的高度。
上述方案中，所述电介质套筒由电介质材料制成。
与现有技术相比，本发明具有如下特点：
1、在天线固有结构上，给其外围套上石墨烯覆层的高阻抗表面，使得天线与外围高阻抗表面发生电磁耦合，产生耦合谐振频率，新产生的耦合谐振频率与天线原谐振频率组成基于石墨烯覆层天线系统的谐振频段，使得石墨烯覆层天线实现宽带或超宽带；
2、通过调节石墨烯的外加偏置电压来改变石墨烯阻抗分布以及阻抗值，调节基于石墨烯覆层天线系统的谐振频率，实现频率可重构，并通过调节外加偏置电压实现天线工作频率连续调控，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。
3、将石墨烯用作天线的高阻抗表面，当其阻抗取很小值时能够充当天线的引向器或者反射器，不需要移动不同阻抗值的石墨烯片，便能使天线的辐射方向发生改变，进而实现天线的方向图可重构。
4、石墨烯具有较高的载流子密度和良好的场效应特性，导致其具有特殊的电性能，使得基于石墨烯的可重构天线具有损耗小、效率高、电导率可调等优点。
5、能够方便便捷地达到天线宽频带、频率可重构、以及辐射方向图可重构，具有很强的实用性，广泛应用于微波频段、太赫兹频段、红外及光波频段。
附图说明
图1为一种基于石墨烯覆层的可重构天线的结构示意图。
图2为另一种基于石墨烯覆层的可重构天线的结构示意图。
图中标号：1、接地板；2、石墨烯覆层；3、电介质套筒；4、硅覆层；5、单极子。
具体实施方式
实施例1：
一种基于石墨烯覆层的可重构天线，包括天线本体，其结构如图1所示，该天线本体包括接地板1和直立于接地板1上的单极子5所构成的单极子5天线模型。上述接地板1和单极子5均由金、银、铝、铜或铁等导电性能高的金属制成。接地板1和单极子5的结构与现有技术相同或相近似。为了提高天线的带宽，所述天线本体进一步包括一上下贯通、并呈中空柱状的电介质套筒3。所述电介质套筒3由二氧化硅、三氧化二铝、砷化镓、FR4或其他电介质材料制成。其形状可以是圆柱体或多面柱体。该电介质套筒3位于接地板1的上方且置于单极子5的外围，即单极子5置于套筒中。电介质套筒3上涂覆有石墨烯覆层2和硅覆层4，且石墨烯覆层2和硅覆层4相互间隔。具体涂覆方式有如下两种，一种是在电介质套筒3的内侧表面涂覆石墨烯覆层2，外侧表面涂覆硅覆层4；另一种是在电介质套筒3的外侧表面涂覆石墨烯覆层2，内侧表面涂覆硅覆层4。上述石墨烯覆层2和硅覆层4各与外置偏置电压的一端相连，且与外置偏置电压的正极相连的石墨烯覆层2或硅覆层4与接地板1之间存在一定的间隙。当石墨烯覆层2与外置偏置电压的正极相连，硅覆层4与外置偏置电压的负极相连时，石墨烯覆层2与接地板1之间存在一定的间隙；当石墨烯覆层2与外置偏置电压的负极相连，硅覆层4与外置偏置电压的正极相连时，硅覆层4与接地板1之间存在一定的间隙。
上述结构的天线本体的尺寸发生改变时，其谐振频域也发生改变，使得天线的频率可以在很宽的频段范围内(微波频段、太赫兹频段、红外及光波频段)实现。通过改变电介质套筒3及其表面的石墨烯覆层2和硅覆层4的高度和半径，可以改变单极子5与电介质套筒3上的石墨烯覆层2的耦合频率，天线的工作频率改变，进一步使得天线的频率特性可以在很宽的频率范围内(微波频段、太赫兹频段、红外及光波频段)实现。在本发明中，电介质套筒3的半径约等于单极子5与石墨烯覆层2耦合频率对应波长的1/2。电介质套筒3的高度约等于或大于单极子5的高度。严格来说，上述电介质套筒3的半径为电介质套筒3的厚度中心的半径，而当电介质套筒3的自身厚度较小时，其电介质套筒3的半径也可以视为电介质套筒3的内半径或外半径。
为了保证外置偏置电压的加载可靠性，与外置偏置电压的正极相连的石墨烯覆层2或硅覆层4不能直接与接地板1导通，即：当石墨烯覆层2与外置偏置电压的正极相连，硅覆层4与外置偏置电压的负极相连时，石墨烯覆层2与接地板1之间存在一定的间隙；当石墨烯覆层2与外置偏置电压的负极相连，硅覆层4与外置偏置电压的正极相连时，硅覆层4与接地板1之间存在一定的间隙。
下面以石墨烯覆层2与外置偏置电压的正极相连为例，对石墨烯覆层2与接地板1之间存在一定的间隙的具体实现方式进行说明：一种方式是，让电介质套筒3的底部直接固定在接地板1上，石墨烯覆层2不会一直涂覆到电介质套筒3表面的最低端与接地板1相连处，而是在涂覆时石墨烯覆层2与接地板1之间留有一定的间隙。一种方式是，让电介质套筒3悬设在接地板1的上方，此时电介质套筒3的底部与接地板1之间留有一定的间隙，这样即便是石墨烯覆层2涂覆到电介质套筒3表面的最底端，石墨烯覆层2与接地板1之间仍然会存在一定的间隙。当硅覆层4与外置偏置电压的正极相连时，硅覆层4与接地板1之间存在一定的间隙的具体实现方式与上述石墨烯覆层2与接地板1之间存在一定的间隙的具体实现方式相雷同。
由于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公式求解出石墨烯电导率与频率、化学势、外加偏置电场、温度、散射率等参量之间的关系，并得出石墨烯表面阻抗与外加偏压的关系。从而，通过外加偏压宏观调节石墨烯的表面阻抗值。通过给硅覆层4和石墨烯覆层2加上外置偏置电压U，通过调节石墨烯外加的偏置电压U，石墨烯的表面阻抗发生改变，此时耦合频率同样也会发生改变，可使得天线的带宽加宽，从而可实现天线的频率超宽带特性等高性能。
实施例2：
另一种基于石墨烯覆层的可重构天线，包括天线本体，其结构如图2所示。该天线本体的结构与实施例1的天线大体相同，其不同之处是，实施例1中的石墨烯覆层2和硅覆层4均是呈整体涂覆在电介质套筒3上的，其能够提高天线的带宽。而本实施例中的石墨烯覆层2和/或硅覆层4是采用的间隔涂覆的方式，其能够使得天线具有频率或方向图可重构性能。具体来说，可以如下三种方式：
方式一：石墨烯覆层2间隔涂覆方式。石墨烯覆层2被纵向分隔成n个相互独立且绝缘的等份，每一等份形成一个纵向延伸的石墨烯片。电介质套筒3的一侧表面涂覆的石墨烯片的份数n与天线的重构参数有关：如需获得更细化的重构频率和方向图时，则石墨烯片的份数需要较多，反之，则石墨烯片的份数需要较少。每个石墨烯片的延伸方向大体沿着纵向方向延伸，也可以稍倾斜。但为了获得更好的性能，所述每个石墨烯片的延伸方向均与单极子5的延伸方向平行。每个石墨烯片与一个外置偏置电压的一端相连，所有外置偏置电压的另一端均与硅覆层4相连。
方式二：硅覆层4间隔涂覆方式。硅覆层4被纵向分隔成m个相互独立且绝缘的等份，每一等份形成一个纵向延伸的硅片。电介质套筒3的一侧表面涂覆的硅片的份数m与天线的重构参数有关：如需获得更细化的重构频率和方向图时，则硅片的份数需要较多，反之，则硅片的份数需要较少。每个硅片的延伸方向大体沿着纵向方向延伸，也可以稍倾斜。但为了获得更好的性能，所述每个硅片的延伸方向均与单极子5的延伸方向平行。每个硅片与一个外置偏置电压的一端相连，所有外置偏置电压的另一端均与石墨烯覆层2相连。
方式三：硅覆层4和石墨烯覆层2同时间隔涂覆方式。硅覆层4被纵向分隔成m个相互独立且绝缘的等份，每一等份形成一个纵向延伸的硅片；同时，石墨烯覆层2被纵向分隔成n个相互独立且绝缘的等份，每一等份形成一个纵向延伸的石墨烯片。电介质套筒3的一侧表面涂覆的硅片的份数m和另一侧表面涂覆的石墨烯片的份数n的数量相等，即n＝m。且硅片的份数m和石墨烯片的份数n与天线的重构参数有关：如需获得更细化的重构频率和方向图时，则硅片和石墨烯片的份数需要较多，反之，则硅片和石墨烯片的份数需要较少。每个硅片和石墨烯片的延伸方向大体沿着纵向方向延伸，也可以稍倾斜。但为了获得更好的性能，所述每个硅片和石墨烯片的延伸方向均与单极子5的延伸方向平行。每个硅片对应一个石墨烯片，该硅片与一个外置偏置电压的一端相连，该外置偏置电压的另一端均与对应的石墨烯片相连。
当石墨烯覆层2和/或硅覆层4是采用的间隔涂覆的方式时，其所采用的是圆柱体形状的电介质套筒3，此时只需要注意将2个相相邻的石墨烯片和/或硅片隔开即可，也可以采用多面柱体形状的电介质套筒3，且多面柱体的面数与墨烯片和/或硅片的份数最好相同，此时，每份石墨烯片和/或硅片恰好能够涂覆在该多面柱体的一面上，且相互隔开。
要实现天线具有频率或方向图可重构性能，需要在使用过程中对石墨烯片和/或硅片的外置偏置电压进行控制，并使得单极子5四周石墨烯片的表面阻抗值呈不同的分布。其中给石墨烯片外加低电压时，获得高阻抗；反之，给石墨烯片外加高电压时，获得低阻抗。
下面以石墨烯覆层2被分隔n个等分为例，对天线的频率和方向图重构的加压方式进行详细说明：
(1)天线的频率重构
改变图2中n份石墨烯的n个外加偏置电压(U1至Un)，使得石墨烯片呈高低阻抗交叉均匀分布于单极子5四周即一个高阻抗石墨烯片，一个低阻抗石墨烯片的单个交叉分布；或者两个高阻抗石墨烯片，两个低阻抗石墨烯片的交叉分布；或者三个高阻抗石墨烯片，三个低阻抗石墨烯片的交叉分布，依此下去，只要天线辐射方向保持稳定的全向辐射即可。通过改变每份石墨烯片外加偏压来改变石墨烯片高低阻抗的交叉规律，可以改变单极子5与电介质套筒3上的石墨烯覆层2的耦合频率，实现了对新产生的耦合频率调节，使得天线产生新的工作频率并能对其进行调节，从而可实现天线频率可重构的高性能。
调节高低阻抗石墨烯片的外加偏置电压的大小可以改变石墨烯片高阻抗和低阻抗的值，由于石墨烯的表面阻抗值发生改变，此时耦合频率同样也会发生改变，可使得天线的带宽加宽，从而可实现天线的频率可重构或超宽带特性等高性能。
(2)天线的方向图重构
图2中，从第1份石墨烯片到第k份石墨烯片分别加上U1到Uk的偏压，从第k+1份石墨烯片到第n份石墨烯片分别加上Uk+1到Un的偏压。当第1份石墨烯片到第k份石墨烯片加上相同的偏压U1,第k+1份石墨烯片到第n份石墨烯片加上相同的偏压Uk+1,使得第1至第k份石墨烯片取相同的低阻抗，第k+1至第n份石墨烯片取相同的高阻抗，此时天线朝着高阻抗石墨烯处辐射。
通过调节石墨烯的外加偏压可以改变这k份低阻抗石墨烯的分布位置。水平方向360度改变低阻抗石墨烯的分布位置，由于天线朝着高阻抗方向辐射，所以此时天线辐射方向可在水平方向内360度自由调节，从而可实现天线辐射方向可重构的高性能。
在前述基础上，通过改变外加偏压改变低阻抗石墨烯的份数k,可以改变天线水平方向内的辐射张角。
Claims (6)
1.基于石墨烯覆层的可重构天线，包括天线本体，该天线本体包括接地板(1)和直立于接地板(1)上的单极子(5)；其特征在于：所述天线本体还进一步包括一上下贯通、并呈中空柱状的电介质套筒(3)，电介质套筒(3)位于接地板(1)的上方且置于单极子(5)的外围；电介质套筒(3)的内外侧表面中的一侧表面涂覆有石墨烯覆层(2)，另一侧表面涂覆有硅覆层(4)；上述石墨烯覆层(2)和硅覆层(4)各与外置偏置电压的一端相连，且与外置偏置电压的正极相连的石墨烯覆层(2)或硅覆层(4)与接地板(1)之间存在一定的间隙；
所述硅覆层(4)被纵向分隔成多个相互独立且绝缘的等份，每一等份形成一个纵向延伸的硅片；每个硅片与一个外置偏置电压的一端相连，所有外置偏置电压的另一端均与石墨烯覆层(2)相连；
或者，所述石墨烯覆层(2)被纵向分隔成多个相互独立且绝缘的等份，每一等份形成一个纵向延伸的石墨烯片；每个石墨烯片与一个外置偏置电压的一端相连，所有外置偏置电压的另一端均与硅覆层(4)相连；
或者，硅覆层(4)被纵向分隔成多个相互独立且绝缘的等份，每一等份形成一个纵向延伸的硅片；同时，石墨烯覆层(2)被纵向分隔成多个相互独立且绝缘的等份，每一等份形成一个纵向延伸的石墨烯片；电介质套筒(3)的一侧表面涂覆的硅片的份数和另一侧表面涂覆的石墨烯片的份数的相等；每个硅片与一个外置偏置电压的一端相连，该外置偏置电压的另一端与对应的石墨烯片相连。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯覆层的可重构天线，其特征在于：每个硅片的延伸方向均与单极子(5)的延伸方向平行。
3.根据权利要求1或2所述的基于石墨烯覆层的可重构天线，其特征在于：所述电介质套筒(3)为圆柱体或多面柱体。
4.根据权利要求1或2所述的基于石墨烯覆层的可重构天线，其特征在于：电介质套筒(3)的半径等于单极子(5)与石墨烯覆层(2)耦合频率对应波长的1/2。
5.根据权利要求1或2所述的基于石墨烯覆层的可重构天线，其特征在于：电介质套筒(3)的高度等于或大于单极子(5)的高度。
6.根据权利要求1或2所述的基于石墨烯覆层的可重构天线，其特征在于：所述电介质套筒(3)由电介质材料制成。
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