CN105406201A - 一种含石墨烯光学共轴窗的微波反射面天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含石墨烯光学共轴窗的微波反射面天线，包括：偏置反射面(1)、微波馈源天线(2)、石墨烯光学/微波共轴窗口(3)和光学信号源/传感器(7)。偏置反射面为轴心开孔的抛物面型偏置反射面；微波馈源天线(2)相对于偏置反射面(1)设置；石墨烯光学/微波共轴窗口(3)设置在偏置反射面(1)轴心的开孔中；光学信号源/传感器(7)设置在石墨烯光学/微波共轴窗口(3)的后方，用于透过石墨烯光学/微波共轴窗口(3)接收或发送光学信号。本发明提供了一种符合遥感、探测、通讯与测试仿真系统要求的高增益、高精度、结构紧凑的光学/微波共轴反射面天线。

Description

一种含石墨烯光学共轴窗的微波反射面天线
技术领域
本发明属于光学/微波多模遥感、探测、通信与测试仿真技术领域，具体涉及一种含石墨烯光学共轴窗的微波反射面天线。
背景技术
以紫外/激光/红外为代表的光学设计和以毫米波/微波为代表的微波设计相结合可以相互补充各自的缺点，并突出了各自的优点，将两大类设计共轴在一起成为最近研究的热点。例如在卫星遥感，将红外遥感与微波遥感共轴可以节省所需占用的空间，减小卫星体积，降低设计与发射等成本，并可利用红外与微波的频谱特性判断不同物质的分布，获取更丰富有效的信息。在遥感、雷达探测、通信与仿真测试技术中，光学设计中的任一种模式与电磁设计中的任一种模式结合，都会更有效的获取信息；若有效解决光学/微波共轴问题，便可大幅节省成本。
公开号CN104134870A公布了一种以多层石墨烯转移为基础的贴片天线制作方法，该方法可满足某些场合对透光性能微带天线的需要，但由于微带阵列的结构特性约束，较难满足遥感、探测、通信与测试仿真技术对天线带宽、增益与静区相位平整度的要求。且该方案使用多层石墨烯，光学设计的均匀性与透过率均有所降低。
发明内容
本发明的目的是用于提供一种含石墨烯光学共轴窗的微波反射面天线，用以解决遥感、探测、通讯与测试仿真系统中要求的天线高增益、高精度、结构紧凑和光学/微波共轴的技术问题。
本发明提出了一种含石墨烯光学共轴窗的微波反射面天线，包括：
偏置反射面，其为轴心开孔的抛物面型偏置反射面；
微波馈源天线，其设置在所述偏置反射面的前方；
石墨烯光学/微波共轴窗口，其设置在所述偏置反射面轴心的开孔中，用于与所述偏置反射面一同为所述微波馈源天线反射收发的微波信号，并使光学信号源/传感器接收或发送的光学信号得以通过；及
光学信号源/传感器，其设置在所述石墨烯光学/微波共轴窗口的后方，用于透过所述石墨烯光学/微波共轴窗口接收或发送光学信号。
本发明提出的所述含石墨烯光学共轴窗的微波反射面天线中，所述石墨烯光学/微波共轴窗口包括：
介质层，其馈源照射面与所述轴心开孔偏置反射面共型；及
两层石墨烯层，其分别附着在所述介质层的两侧表面。
本发明提出的所述含石墨烯光学共轴窗的微波反射面天线中，所述石墨烯光学/微波共轴窗口还包括：导线，所述导线的一端分别与所述石墨烯层连接，另一端与恒定电流源或恒定电压源连接，用于向所述石墨烯层提供偏置，以提高石墨烯层的导电性，提高石墨烯层对微波信号的反射率。
本发明提出的所述含石墨烯光学共轴窗的微波反射面天线中，所述石墨烯层为单层二维碳原子组成的石墨烯或多层二维碳原子组成的石墨烯，或整片石墨烯或石墨烯鳞片组成的含交叠结构的石墨烯。
本发明提出的所述含石墨烯光学共轴窗的微波反射面天线中，所述石墨烯层中掺杂碳纳米管或化学元素提高其导电率。
本发明提出的所述含石墨烯光学共轴窗的微波反射面天线中，所述介质层为对于红外光、激光和紫外光具有高透光性的绝缘材料。
本发明提出的所述含石墨烯光学共轴窗的微波反射面天线中，所述偏置反射面为经边缘锯齿化处理或边缘卷曲边处理的偏置反射面，可满足光学与微波多模共轴测试仿真要求。
本发明提出的所述含石墨烯光学共轴窗的微波反射面天线中，所述微波馈源天线的工作频段为1THz以下的波段。
本发明提出的所述含石墨烯光学共轴窗的微波反射面天线中，所述光学信号源/传感器的工作频段为红外光、激光或紫外光的一种或其多种的任意组合。
本发明提出的所述含石墨烯光学共轴窗的微波反射面天线中，当所述偏置反射面(1)为双反射面或三反射面时，在其母反射面的轴心开孔。
本发明的有益效果在于：采用的石墨烯层具有良好的透光性，且具有较高的微波反射率，且厚度为nm量级，当被用作为微波反射面时，石墨烯层对反射面表面精度的影响可以忽略不计，适合于系统集成。通过本发明含石墨烯光学共轴窗的微波反射面天线，在不影响光学信号发送与接收的条件下，得到的微波信号具有较高的增益与良好的静区相位特性。
附图说明
图1是本发明含石墨烯光学共轴窗的微波反射面天线的示意图。
图2是本发明含石墨烯光学共轴窗的微波反射面天线的剖面与局部放大图。
图3是本发明含石墨烯光学共轴窗的微波反射面天线的主视图。
图4是本发明工作在毫米波波段天线增益示意图。
图5是本发明工作在毫米波波段天线前方静区处水平轴电场幅度示意图。
图6是本发明工作在毫米波波段天线前方静区处水平轴电场相位示意图。
图1-图6中，1-偏置反射面，2-微波馈源天线，3-石墨烯光学/微波共轴窗口，4-石墨烯层，5-介质层，6-导线，7-光学信号源/传感器，8-微波静区水平轴，9-微波静区垂直轴。
具体实施方式
结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。
参见图1，本发明的具体实施例中，含石墨烯光学共轴窗的微波反射面天线包括偏置反射面1、微波馈源天线2、石墨烯光学/微波共轴窗口3和光学信号源/传感器7。偏置反射面1为轴心开孔的抛物面型偏置反射面，微波馈源天线2设置在所述偏置反射面1的前方，石墨烯光学/微波共轴窗口3设置在所述偏置反射面1轴心的开孔中。光学信号源/传感器7设置在所述石墨烯光学/微波共轴窗口3的后方。
其中，偏置反射面1为一旋转抛物面口径D，焦距选取f，波的传播方向为Z轴正向，其未经边缘处理的抛物面在XOZ面上的方程以如下式(1)表示；
4×f×z＝-x2,Dmm>x>0mm(1)；
式(1)中，f表示焦距，z表示z轴坐标位置，x表示x轴坐标位置，D表示旋转抛物面口径，mm表示毫米。
偏置反射面1在XOY面上的投影为一正方形，投影中心在XOY面上的坐标为(D/2mm，0mm)。偏置反射面1在轴心处开孔，开孔在XOY面上的投影为圆形，直径为d。该偏置反射面1经边缘锯齿化处理后，经边缘锯齿化处理后的抛物面边缘如图3所示。微波馈源天线2使用波纹喇叭，工作在毫米波波段32GHz频率下。
石墨烯光学/微波共轴窗口3位于偏置反射面1的轴心开孔中。石墨烯光学/微波共轴窗口3由石墨烯层4和介质层5组成。石墨烯层4分别由两层单层石墨烯组成，单层石墨烯分别附着在介质层5的两个表面。介质层5由可以透过红外线的绝缘介质组成，介质层5的两个表面用于透射光学信号。介质层5的馈源照射面与所述轴心开孔偏置反射面(1)共型，介质层5相对介电常数为ε。介质层5馈源照射面在XOZ面上的方程以如下式(2)表示：
4×f×z＝-x2,(D/2+d/2)mm>x>(D/2-d/2)mm(2)
石墨烯光学/微波共轴窗口3进一步设有导线6，两根导线6的一端分别与石墨烯层4连接，另一端与恒定电压源或恒定电流源连接，通过导线6向石墨烯层4施加偏置电压，调节石墨烯层4的化学势μc为0.9eV，工作温度为300K。
光学信号源/传感器7位于石墨烯光学/微波共轴窗口的后方，光学信号源/传感器7采用红外信号源，出瞳与石墨烯光学/微波共轴窗口3共轴。光学信号源/传感器7工作在近红外波段。在以上条件下，通过单层石墨烯Drude模型计算，在毫米波频段，单层石墨烯的表面复电导率为0.19-j*0.007(S)；在近红外频率下，单层石墨烯的表面复电导率为0.000000016-j*0.000056(S)。石墨烯层4在微波/毫米波具有较大的表面电导率，可以用来反射微波，透过红外光学信号。
图4是本实施例在毫米波波段的反射面天线的增益图，由图可知，在本实施例配置下，微波天线的增益可以达到36dB以上，增益高，波束窄。该配置下的微波天线性能优良，石墨烯光学/微波共轴窗口3具有较好的光学透过率，可以应用于光学/微波多模遥感、探测与通信技术领域。
微波静区水平轴8与微波静区垂直轴9位于距偏置反射面1的2f(f表示焦距)处。偏置反射面1形成的紧凑场静区通常为反射面口径的三分之一，所以微波静区水平轴8的端点坐标分别为(D/6mm，0mm，2fmm)与(-D/6mm，0mm，2fmm)，微波静区垂直轴9与微波静区水平轴8垂直。图5与图6是本实施例工作在毫米波波段天线前方静区处水平轴电场幅度与相位示意图，由图可知，在本实施例配置下，微波静区水平轴8上的电场相位峰峰值在3.8度以内，相位平整性好。这种配置下的微波反射面天线的微波静区相位性能优良，石墨烯光学/微波共轴窗口3具有较好的光学透过率，可以应用于光学/微波多模测试仿真技术领域。
本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims (10)

1.一种含石墨烯光学共轴窗的微波反射面天线，其特征在于，包括：
偏置反射面(1)，其为轴心开孔的抛物面型偏置反射面；
微波馈源天线(2)，其设置在所述偏置反射面(1)的前方；
石墨烯光学/微波共轴窗口(3)，其设置在所述偏置反射面(1)轴心的开孔中，用于与所述偏置反射面(1)一同为所述微波馈源天线(2)反射收发的微波信号，并使光学信号源/传感器接收或发送的光学信号得以通过；及
光学信号源/传感器(7)，其设置在所述石墨烯光学/微波共轴窗口(3)的后方，用于透过所述石墨烯光学/微波共轴窗口(3)接收或发送光学信号。
2.如权利要求1所述的含石墨烯光学共轴窗的微波反射面天线，其特征在于，所述石墨烯光学/微波共轴窗口(3)包括：
介质层(5)，其馈源照射面与所述轴心开孔偏置反射面(1)共型；及
两层石墨烯层(4)，其分别附着在所述介质层(5)的两侧表面。
3.如权利要求2所述的含石墨烯光学共轴窗的微波反射面天线，其特征在于，所述石墨烯光学/微波共轴窗口(3)还包括：导线(6)，所述导线(6)的一端分别与所述石墨烯层(4)连接，另一端与恒定电流源或恒定电压源连接，用于向所述石墨烯层(4)提供偏置。
4.如权利要求2所述的含石墨烯光学共轴窗的微波反射面天线，其特征在于，所述石墨烯层为单层二维碳原子组成的石墨烯或多层二维碳原子组成的石墨烯，或整片石墨烯或石墨烯鳞片组成的含交叠结构的石墨烯。
5.如权利要求2所述的含石墨烯光学共轴窗的微波反射面天线，其特征在于，所述石墨烯层中掺杂碳纳米管或化学元素提高其导电率。
6.如权利要求2所述的含石墨烯光学共轴窗的微波反射面天线，其特征在于，所述介质层(5)为对于红外光、激光和紫外光具有高透光性的绝缘材料。
7.如权利要求1所述的含石墨烯光学共轴窗的微波反射面天线，其特征在于，所述偏置反射面(1)为经边缘锯齿化处理或边缘卷曲边处理的偏置反射面。
8.如权利要求1所述的含石墨烯光学共轴窗的微波反射面天线，其特征在于，所述微波馈源天线(2)的工作频段为1THz以下的波段。
9.如权利要求1所述的含石墨烯光学共轴窗的微波反射面天线，其特征在于，所述光学信号源/传感器(7)的工作频段为红外光、激光或紫外光的一种或其多种的任意组合。
10.如权利要求1所述的含石墨烯光学共轴窗的微波反射面天线，其特征在于，当所述偏置反射面(1)为双反射面或三反射面时，在其母反射面的轴心开孔。
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