CN105811072A - 一种高阻抗高增益天线及其石墨烯太赫兹探测器 - Google Patents

一种高阻抗高增益天线及其石墨烯太赫兹探测器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高阻抗高增益天线，包括PCB板，PCB板上设有硅基衬底，硅基衬底与PCB板接触的表面设有一对对称、相对设置的E形偶极子，两个E形偶极子之间存在间隙；E形偶极子包括第一条状金属贴片，第一条状金属贴片中间延伸出第二条状金属贴片。本发明还公开了一种采用了该高阻抗高增益天线的石墨烯太赫兹探测器。本发明有效提高了天线的输入阻抗，解决了天线与石墨烯场效应管的阻抗失配问题，从而提高了石墨烯太赫兹探测器的效率；本发明有效提高了天线的增益，从而降低了石墨烯太赫兹探测器平台的复杂度，并增加了石墨烯太赫兹探测器的有效探测距离。

Description

一种高阻抗高增益天线及其石墨烯太赫兹探测器
技术领域
本发明涉及微波领域，特别是涉及一种高阻抗高增益天线及其石墨烯太赫兹探测器。
背景技术
2004年石墨烯被成功制备和表征，自此以来，石墨烯及相关二维材料被广泛研究，并在力、热、光、电等方面都具有优异性能，同时在多个应用领域展现出巨大的应用前景。作为这些应用之一，石墨烯太赫兹探测器已在实验室成功演示，用于对咖啡盒子及树叶等样品的无损探测。
在石墨烯太赫兹探测器中，天线(antenna)和石墨烯场效应管(GrapheneFET)是两个最关键的组成器件。然而现有技术中石墨烯太赫兹探测器采用的是传统的周期性天线或其它类似天线，如图1所示，它们位于位于硅基衬底与PCB板不接触的表面，它们存在如下问题：(1)该类天线的输入阻抗为50欧姆、75欧姆或188欧姆，而石墨烯场效应管的阻抗高达数千欧姆，因而天线与石墨烯场效应管存在阻抗失配；(2)该类天线的增益较低，仅在0dBi左右，而石墨烯太赫兹探测器需要高增益天线。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提出一种高输入阻抗、高增益的天线，以及使用该天线的石墨烯太赫兹探测器。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的高阻抗高增益天线，包括PCB板，PCB板上设有硅基衬底，硅基衬底与PCB板接触的表面设有一对对称、相对设置的E形偶极子，两个E形偶极子之间存在间隙；E形偶极子包括第一条状金属贴片，第一条状金属贴片中间延伸出第二条状金属贴片。
进一步，所述第一条状金属贴片为半圆弧形，第一条状金属贴片中间向圆心延伸出第二条状金属贴片。
进一步，所述第一条状金属贴片为圆弧形，第一条状金属贴片中间向圆心延伸出第二条状金属贴片。
进一步，所述第一条状金属贴片包括第一条状臂、第二条状臂和第三条状臂，第一条状臂一端呈角度延伸出第二条状臂，第二条状臂的自由端呈角度延伸出第三条状臂，第二条状臂中间垂直延伸出第二条状金属贴片。
进一步，所述第一条状臂与第二条状臂之间所呈角度为90°，第二条状臂与第三条状臂之间所呈角度也为90°。
本发明所述的石墨烯太赫兹探测器，包括如权利要求1-5中任意一项所述的高阻抗高增益天线。
进一步，所述石墨烯太赫兹探测器还包括石墨烯场效应管，石墨烯场效应管设于两个E形偶极子之间的间隙中，石墨烯场效应管的源极连接一个E形偶极子，石墨烯场效应管的栅极连接另一个E形偶极子。
有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明通过将硅基衬底倒置，以形成超衬底介质天线，提高了天线的增益；
(2)本发明通过在硅基衬底背面设置一对对称、相对设置的E形偶极子，实现了具有高达5000欧姆输入阻抗的天线，有效提高了天线的输入阻抗；
(3)本发明将高阻抗高增益天线与石墨烯场效应管用于构成石墨烯太赫兹探测器，有效解决了天线与石墨烯场效应管的阻抗失配问题，从而提高了石墨烯太赫兹探测器的效率；有效提高了天线的增益，从而降低了石墨烯太赫兹探测器平台的复杂度，并增加了石墨烯太赫兹探测器的有效探测距离。
附图说明
图1为现有技术的石墨烯太赫兹探测器中天线的侧视图；
图2为本发明实施例1的石墨烯太赫兹探测器的立体图；
图3为本发明实施例1的高阻抗高增益天线的局部俯视图；
图4为本发明实施例1的高阻抗高增益天线的输入阻抗仿真结果；
图5为本发明实施例1的高阻抗高增益天线的增益仿真结果；
图6为本发明实施例2的高阻抗高增益天线的局部俯视图；
图7为本发明实施例3的高阻抗高增益天线的局部俯视图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图对本发明作更进一步的说明。
现有技术的石墨烯太赫兹探测器如图1所示，天线101位于硅基衬底201与PCB板301不接触的表面，硅基衬底201的相对介电常数高达11.9，因而绝大部分辐射能量聚集于硅基衬底201，从而导致天线101的正面辐射小，增益低。本发明公开了一种高阻抗高增益天线，包括PCB板，PCB板上设有硅基衬底，硅基衬底与PCB板接触的表面设有一对对称、相对设置的E形偶极子，两个E形偶极子之间存在间隙；E形偶极子包括第一条状金属贴片，第一条状金属贴片中间延伸出第二条状金属贴片。本发明还公开了一种采用了该高阻抗高增益天线的石墨烯太赫兹探测器。
下面以三个实施例，介绍一下本发明的高阻抗高增益天线以及石墨烯太赫兹探测器。
实施例1：
实施例1公开了一种高阻抗高增益天线，如图3和图2所示，包括PCB板41，PCB板41上设有硅基衬底31，硅基衬底31与PCB板41接触的表面设有一对对称、相对设置的E形偶极子11，两个E形偶极子11之间存在间隙；E形偶极子11包括半圆弧形第一条状金属贴片111，第一条状金属贴片111中间向圆心延伸出第二条状金属贴片112。
实施例1还公开了一种采用了该天线的石墨烯太赫兹探测器，如图2所示，还包括石墨烯场效应管21，石墨烯场效应管21设于两个E形偶极子11之间的间隙中。硅基衬底31与PCB板41接触的表面的四边中间部位分别设有一个源极贴片51、一个栅极贴片61和两个漏极贴片71，其中一个漏极贴片71是备用的，两个漏极贴片71是位置对称的，从而保证了天线辐射方向图的对称性。石墨烯场效应管21的源极经由一个E形偶极子11连接源极贴片51，栅极经由另一个E形偶极子11连接栅极贴片61，漏极可以只连接一个漏极贴片71，也可以连接两个漏极贴片71，这样可以承受的电流更大。为了硅基衬底31与PCB板41接触的表面的四角各设有一个定位贴片81，其中一个定位贴片81中做了标记，用于在制造时进行定位。
实施例1的高阻抗高增益天线的输入阻抗仿真结果如图4所示，可见，在315GHz，该天线的输入阻抗为5000欧姆。因此，实施例1有效提高了天线的输入阻抗，有效解决了天线与石墨烯场效应管的阻抗失配问题，从而提高了石墨烯太赫兹探测器的效率。
实施例1的高阻抗高增益天线的增益仿真结果如图5所示，可见，在315GHz，该天线的增益高达9.47dBi。因此，实施例1有效提高了天线的增益，从而降低了石墨烯太赫兹探测器平台的复杂度，并增加了石墨烯太赫兹探测器的有效探测距离。
实施例2：
实施例2公开了一种高阻抗高增益天线，如图6所示，包括PCB板，PCB板上设有硅基衬底32，硅基衬底32与PCB板接触的表面设有一对对称、相对设置的E形偶极子12，两个E形偶极子12之间存在间隙；E形偶极子12包括150°圆弧形第一条状金属贴片121，第一条状金属贴片121中间向圆心延伸出第二条状金属贴片122。
实施例2还公开了一种采用了该天线的石墨烯太赫兹探测器，如图6所示，还包括石墨烯场效应管22，石墨烯场效应管22设于两个E形偶极子12之间的间隙中。硅基衬底32与PCB板接触的表面的四边中间部位分别设有一个源极贴片52、一个栅极贴片62和两个漏极贴片72，其中一个漏极贴片72是备用的，两个漏极贴片71是位置对称的，从而保证了天线辐射方向图的对称性。石墨烯场效应管22的源极经由一个E形偶极子12连接源极贴片52，栅极经由另一个E形偶极子12连接栅极贴片62，漏极可以只连接一个漏极贴片72，也可以连接两个漏极贴片72，这样可以承受的电流更大。硅基衬底32与PCB板接触的表面的四角各设有一个定位贴片82，其中一个定位贴片82中做了标记，用于在制造时进行定位。
实施例3：
实施例3公开了一种高阻抗高增益天线，如图7所示，包括PCB板，PCB板上设有硅基衬底33，硅基衬底33与PCB板接触的表面设有一对对称、相对设置的E形偶极子13，两个E形偶极子13之间存在间隙；E形偶极子13包括第一条状金属贴片131和第二条状金属贴片132，第一条状金属贴片131包括第一条状臂1311、第二条状臂1312和第三条状臂1313，第一条状臂1311一端垂直延伸出第二条状臂1312，第二条状臂1312的自由端垂直延伸出第三条状臂1313，第二条状臂1312中间垂直延伸出第二条状金属贴片132。
实施例3还公开了一种采用了该天线的石墨烯太赫兹探测器，如图7所示，还包括石墨烯场效应管23，石墨烯场效应管23设于两个E形偶极子13之间的间隙中。硅基衬底33与PCB板接触的表面的四边中间部位分别设有一个源极贴片53、一个栅极贴片63和两个漏极贴片73，其中一个漏极贴片73是备用的，两个漏极贴片71是位置对称的，从而保证了天线辐射方向图的对称性。石墨烯场效应管23的源极经由一个E形偶极子13连接源极贴片53，栅极经由另一个E形偶极子13连接栅极贴片63，漏极可以只连接一个漏极贴片73，也可以连接两个漏极贴片73，这样可以承受的电流更大。硅基衬底33与PCB板接触的表面的四角各设有一个定位贴片83，其中一个定位贴片83中做了标记，用于在制造时进行定位。

Claims (7)

1.一种高阻抗高增益天线，其特征在于：包括PCB板，PCB板上设有硅基衬底，硅基衬底与PCB板接触的表面设有一对对称、相对设置的E形偶极子，两个E形偶极子之间存在间隙；E形偶极子包括第一条状金属贴片，第一条状金属贴片中间延伸出第二条状金属贴片。
2.根据权利要求1所述的高阻抗高增益天线，其特征在于：所述第一条状金属贴片为半圆弧形，第一条状金属贴片中间向圆心延伸出第二条状金属贴片。
3.根据权利要求1所述的高阻抗高增益天线，其特征在于：所述第一条状金属贴片为圆弧形，第一条状金属贴片中间向圆心延伸出第二条状金属贴片。
4.根据权利要求1所述的高阻抗高增益天线，其特征在于：所述第一条状金属贴片包括第一条状臂、第二条状臂和第三条状臂，第一条状臂一端呈角度延伸出第二条状臂，第二条状臂的自由端呈角度延伸出第三条状臂，第二条状臂中间垂直延伸出第二条状金属贴片。
5.根据权利要求4所述的高阻抗高增益天线，其特征在于：所述第一条状臂与第二条状臂之间所呈角度为90°，第二条状臂与第三条状臂之间所呈角度也为90°。
6.一种石墨烯太赫兹探测器，其特征在于：包括如权利要求1-5中任意一项所述的高阻抗高增益天线。
7.根据权利要求6所述的石墨烯太赫兹探测器，其特征在于：还包括石墨烯场效应管，石墨烯场效应管设于两个E形偶极子之间的间隙中，石墨烯场效应管的源极连接一个E形偶极子，石墨烯场效应管的栅极连接另一个E形偶极子。
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