CN106025563A - 一种用于方向图可重构天线的石墨烯高阻抗面 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于方向图可重构天线的石墨烯高阻抗面，属于天线技术领域。高阻抗面由若干高阻抗面单元周期排列组成，高阻抗面单元包括复合介质基板、设于其上表面的正方形金属贴片及其左右两边的石墨烯贴片、设于其下表面的全金属面，其中石墨烯贴片为连接两单元金属贴片的矩形贴片。本发明可在较大角度范围(±80°)内实现方向图的连续可重构，克服了以往使用开关元件、阵列天线等的方向图离散型可重构的束缚；同时该高阻抗面适用多种天线辐射单元形式，降低了天线整体设计成本，同时也大大简化了天线可重构的控制系统，克服了以往需要庞大的天线系统且后续控制复杂的缺点，真正实现简单调节，且不损失天线的主瓣增益值。

Description

一种用于方向图可重构天线的石墨烯高阻抗面

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种通过石墨烯加载的高阻抗表面来实现方向图可重构天线，可用于太赫兹频段通信系统射频终端的信号发射和接收。

背景技术

天线是无线通信系统中用于信号收发的关键器件。近年来，为了能够有效而合理的利用空间和频谱资源，无线通信系统开始朝大容量、多功能、超宽带方向发展，而这些要求势必增加天线平台上的天线数量，加大系统复杂程度，天线之间也会相互产生耦合干扰，对系统性能产生影响。为了降低系统复杂度和成本，同时实现良好的电磁兼容，可重构天线无疑成为在满足系统通信功能的前提下减小天线数量的一种很好的解决方案。天线可重构方式主要分为频率可重构、方向图可重构、极化可重构以及混合可重构。其中方向图可重构天线可实现方向图主波束的偏转，是未来应用于认知无线电环境中智能天线的发展趋势。

微波频段的方向图可重构天线已有较多的研究和发展。目前对于微波频段方向图可重构天线的研究主要通过相控阵天线，或加载电子器件(如电子开关、可变电抗、机械可控结构)等方式来实现。通过相控阵列天线实现方向图可重构，如文献“A beam-steererusing reconfigurable PBG ground Plane(2000IEEE AP-S,2000.835-838,Elmaran,Iao-Mak Chio.Liang-Yu Chen，et al)”，增大了系统的复杂程度，使系统较庞大。通过加载电子器件的方式，往往需引入数目较多的开关，结构复杂，设计难度大，且调节过程繁复，调节效果只能实现天线方向图离散型可重构。

随着近几年超材料的发现及快速发展，加载人工电磁超表面来实现可重构天线的一种方式引起了人们广泛的关注。高阻抗表面(High Impedance Surface,HIS)是一种由周期阵列单元组成的超材料表面，其可以无相位损失的反射某特定频率的电磁波。随着最近几年可重构天线的发展，有源可重构高阻抗表面(Active High Impedance Surface)被提出来。由于其独特的性能已经被应用于很多领域，如天线、吸波体和同步噪声开关设计等。如果能对HIS的阻抗值进行灵活的调控，那么将为其在实际应用中提供更多的自由设计的空间。

方向图可重构天线的另一个重要应用领域是太赫兹频段。近年来，太赫兹通信引起了人们的广泛研究兴趣。无疑，作为太赫兹通信系统射频终端的太赫兹天线，是系统中非常重要的一个组成部分。尽管太赫兹频段天线与微波频段天线的功能相同，但是金属在太赫兹频段的高损耗和加工制备困难成为制约太赫兹天线设计和实现的主要因素。而石墨烯在太赫兹频段具有优越的电学特性，尤其是石墨烯的电可调特性给太赫兹可重构天线带来了极大的希望。石墨烯作为一种二维平面碳结构具有很多优异的特性，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等，尤其是在太赫兹频段范围内的电导率灵活的可调性，即通过对一定掺杂浓度的石墨烯材料外部施加电场或磁场可对其电导率进行调节，使其既可表现为绝缘体，也可表现为良导体。这一特性为太赫兹频段可重构天线提供了重要的设计依据。文献“Design of a novel graphene terahertzantenna at 500GHz with reconfigurable radiation pattern(2015IEEEInternational Symposium on，2015:1462-1463Xia H,Pan Q X,Hu J,et al)”通过利用石墨烯构造三个类似于八木天线的天线引向单元，实现天线方向图可重构，但不能实现天线方向图的连续可重构。文献“Sinusoidally modulated graphene leaky-wave antennafor electronic beamscanning at THz(2014IEEE on Terahertz Science andTechnology 2014,4(1):116-122.Esquius-Morote M,Perruisseau-Carrier J.)”利用石墨烯材料构造漏波天线，通过改变石墨烯本身的电流分布来构造漏波天线实现天线方向图的偏转，但此系统涉及多个控制单元，结构较为复杂，且可重构角度有限，仅为-45.4°到37.5°。

发明内容

本发明旨在克服现有技术存在的不足，构造结构简单、操作容易、可重构角度大、适用范围广的天线。提出了一种用于方向图可重构天线的石墨烯高阻抗面，其可在较大角度范围(±80°)内实现方向图的连续可重构，克服了以往使用开关元件、阵列天线等的方向图离散型可重构的束缚。同时该石墨烯高阻抗面适用多种天线辐射单元形式，降低了天线整体设计成本，同时也大大简化了天线可重构的控制系统，克服了以往需要庞大的天线系统且后续控制复杂的缺点，真正实现简单调节，且不损失天线的主瓣增益值。

本发明技术方案如下：

一种用于方向图可重构天线的石墨烯高阻抗面，其特征在于：所述高阻抗面由若干高阻抗面单元周期排列组成，高阻抗面单元包括复合介质基板、设于其上表面的正方形金属贴片及其左右两边的石墨烯贴片、设于其下表面的全金属面，其中所述石墨烯贴片为连接两单元金属贴片的矩形贴片。

复合介质基板包括自上而下依次叠加的绝缘层、导体层和低损介质层，在石墨烯贴片和导体层之间加有直流偏置电压V_c。

进一步地，所述高阻抗面是由N×N个正方形高阻抗面单元周期排列而成，其中N≥2。

进一步地，天线辐射单元位于高阻抗面的正上方。

进一步地，所述低损介质层厚度h₃<λ_g/4，其中λ_g是低损介质层中的导波波长。

本发明技术与现有技术如阵列天线、漏波天线、加载电子器件开关天线等形式的方向图可重构天线相比，具有如下优点：

1.本发明采用加载石墨烯材料的高阻抗面实现天线方向图的可重构，在石墨烯贴片与复合介质基板中导体层之间加有直流偏置电压，通过简单调节直流偏压可改变石墨烯的表面电导率，进而改变高阻抗面的阻抗状态，从而有效的调控天线单元的电流分布。由于结构的对称性，可实现天线方向图的左右双向同时可重构。在不损失主瓣增益的基础上，其辐射方向可在约±80°内进行偏转。

2.本发明由正方形高阻抗面单元周期排列组成，适用于多种天线辐射单元形式，在形成的高阻抗面的正上方添加天线辐射单元，根据不同天线辐射单元的形式，适当调控天线辐射单元与高阻抗面之间的相对位置即可实现增益最大化。其结构简单，降低了天线整体设计成本及后续可重构复杂度。

附图说明

图1为本发明提供的基于石墨烯材料高阻抗面的方向图可重构天线普适结构图；

图2为本发明提供的基于石墨烯材料高阻抗面的方向图可重构天线高阻抗单元结构图；

图3为本发明提供的基于石墨烯材料高阻抗面的方向图可重构天线高阻抗单元具体尺寸标注图；

图4为本发明第一实施例的天线结构图；

图5为本发明第二实施例的天线结构图；

图6为本发明第一实施例的H面2D方向图；

图7为本发明第二实施例的H面2D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：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实例。

实施例1：

本实施例为理论验证例，包括天线辐射单元1和高阻抗面2。

图2-3为高阻抗面单元结构示意图，包括复合介质基板3、印制在其下表面的全金属面6、印制在其上表面中间的正方形金属贴片4和贴片左右两侧的石墨烯连接贴片5，复合介质基板3由自上而下依次叠加的氧化铝层31、多晶硅层32和玻璃层33组成，在石墨烯5和多晶硅32之间增加有直流偏置电压V_c7，用于调节石墨烯的表面电导率；复合介质基板中的氧化铝层31用来隔绝多晶硅层32和石墨烯5，形成一个偏压。

参照图3，高阻抗面单元周期p＝80μm，高阻抗面2整体是由N×N的高阻抗单元组成，其中N≥2，N的值由加载的不同天线辐射单元的形式决定，在本实施例中N＝6，高阻抗面整体规格为480μm×480μm。

复合介质基板3中的氧化铝层31厚度为h₁＝20nm，其介电常数为8.9，正切损耗角为0.01；多晶硅层32厚度h₂＝20nm，其介电常数为3.75，正切损耗角为0.004；玻璃层33介电常数为4.82，正切损耗角为0.0054，厚度h₃＝30μm。印制在其上表面中间的正方形金属贴片4边长为w＝54μm，其左右两侧的石墨烯连接材料5宽l＝17.5μm。

石墨烯贴片5厚度为单个原子量级的厚度，石墨烯与多晶硅之间的偏置电压为：

$V_c=\frac{{\mathrm{en}}_s}{{\mathrm{\&epsiv;}}_r{\mathrm{\&epsiv;}}_0}t$

其中t为石墨烯贴片厚度，n_s为载流子浓度，可表示为：μ_c为石墨烯化学势能，h为普朗克常量，v_f为费米速率(石墨烯中为10⁸cm/s)。

石墨烯表面电导率可由Kubo公式表示为：

其中T为热力学温度满足T＝300K，K_B为玻尔兹曼常数，为约化普朗克常量，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。本发明中通过控制偏置电压来改变石墨烯的化学势，由MATLAB计算得到石墨烯在不同化学势下的表面阻抗模型并导入CST中进行计算。

所述直流偏置电压V_c7的正极连接沉积在石墨烯材料5上的一小块金属薄膜电极上，负极连接沉积在多晶硅层32上的一小块金属薄膜电极上，氧化铝层31不导电，刚好在石墨烯贴片5和多晶硅层32之间形成一个正向偏置电压V_c。该正向偏置电压的改变会控制石墨烯的化学势能μ_c，进而改变石墨烯的表面电导率σ_s，从而改变基于石墨烯设计的高阻抗面的阻抗状态，可以有效的调控天线的电流分布。当μ_c＝0.40ev时，电流峰值集中于天线的中间部位，故其主瓣方向为垂直于高阻抗面的0°方向，随着μ_c的逐渐降低，电流峰值逐渐由天线中间位置对称的沿x轴正负两侧方向偏移，直至偏移至天线的末端，故使得天线的主瓣方向逐渐向两侧偏转，可达到±80°范围。

如图4所示，本实施例天线辐射单元采用简单偶极子形式，在高阻抗面2正上方高h_d处放置有偶极子天线辐射单元1，采用简单的离散端口进行馈电，测试基于石墨烯材料高阻抗面实现可重构天线效果。天线辐射单元1距离高阻抗面高度h_d＝30μm；其中偶极子半径为r＝1μm，整体长Length＝130μm，两臂中间间隙为g＝3μm，工作中心频率f＝1.03THz。

实施例2：

实施例2为实际参考例，采用与实施例1不同的天线辐射单元形式，如图5(a)所示，天线辐射单元下方采用聚四氟乙烯8支撑，同时去掉位于辐射体下的聚四氟乙烯使之成为空气腔，由于聚四氟乙烯的介电常数较低为2.2，且天线下方为空气腔衬底，可有效降低天线的背向辐射。由于本实施例选用的天线辐射单元工作中心频率f＝1.03THz与实施例1中相同，因此所使用的高阻抗面单元相同。

参照图5，该实施例中的高阻抗面2由10×10的高阻抗面单元组成，天线辐射单元采用蝶形天线形式，其中浅灰色贴片位于介质板下表面为第一辐射体，对称的深灰色贴片位于介质板上表面为第二辐射体。两辐射体均为矩形贴片形式，并由梯形贴片与微带馈线进行过渡连接。馈线由两段不同长度及宽度的微带线组成，同样位于介质板上下两侧，对馈线尺寸进行相应优化，使其匹配天线的输入阻抗为标准50Ω。蝶型天线距离高阻抗面高度h_b＝40μm；图5a为本实施例天线侧视图，图5b为本实施例天线蝶形辐射单元尺寸标注图，其介质基板厚度为d，介电常数为4.82，正切损耗角为0.0054，其具体尺寸如表1。

表1基于石墨烯材料高阻抗面的方向图可重构天线蝶形辐射单元尺寸(单位：μm)

d	L0	L1	L2	L3
					1.6	80	9	40.5	17
L4	L5	W1	W2
					388.65	11.3	2.6	4

以下结合仿真计算对本发明的技术效果作进一步描述：

图6为实施例1加载偶极子天线辐射单元的天线H面方向图，当改变石墨烯与多晶硅之间的偏置电压使石墨烯的化学势能μ_c＝0.40ev时，天线主瓣辐射方向为0°，主瓣增益为6.9dBi；改变偏置电压使石墨烯化学势能μ_c＝0.28ev时，天线主瓣分裂辐射分别为±40°的方向，主瓣增益为7.1dBi；改变偏置电压使石墨烯化学势能μ_c＝0.18ev时，天线主瓣分裂辐射分别为±55°的方向，主瓣增益为6.6dBi；改变偏置电压使石墨烯化学势能μ_c＝0.15ev时，天线主瓣分裂辐射分别为±75°的方向，主瓣增益为7.7dBi；随着偏置电压改变使石墨烯化学势从0.40ev到0.11ev变化，天线由单波束分裂为左右两侧的双波束，且辐射方向在±80°范围内连续可调，且几乎不影响其增益值。

可见，实施例1中的天线辐射方向可在改变高阻抗面石墨烯电导率的情况下实现方向图可重构，且几乎不影响天线增益值。

图7为实施例2加载蝶形天线辐射单元的天线H面方向图，当改变石墨烯与多晶硅之间的偏置电压使石墨烯的化学势能μ_c＝0.50ev时，天线主瓣辐射方向为±30°，主瓣增益为7.3dBi；改变偏置电压使石墨烯化学势能μ_c＝0.35ev时，天线主瓣分裂辐射分别为±45°的方向，主瓣增益为7.3dBi；改变偏置电压使石墨烯化学势能μ_c＝0.25ev时，天线主瓣分裂辐射分别为±55°的方向，主瓣增益为7.5dBi；改变偏置电压使石墨烯化学势能μ_c＝0.15ev时，天线主瓣分裂辐射分别为±80°的方向，主瓣增益为7.1dBi；随着偏置电压改变使石墨烯化学势从0.50ev到0.15ev变化，天线波束逐渐向两侧进行分裂，由原±30°分裂至±80°，期间扫描角度随化学势变化连续可调，且几乎不影响其增益值。

综上所述，本发明所设计的石墨烯高阻抗面可实现天线方向图可重构，且适用于多种天线辐射单元形式，通过改变加载到石墨烯上的偏置电压而改变其化学势，进而在不影响天线增益的情况下实现了天线方向图的大角度连续可重构。

Claims (8)

1.一种用于方向图可重构天线的石墨烯高阻抗面，其特征在于：所述高阻抗面由若干高阻抗面单元周期排列组成，高阻抗面单元包括复合介质基板、设于其上表面的正方形金属贴片及其左右两边的石墨烯贴片、设于其下表面的全金属面，其中所述石墨烯贴片为连接两单元金属贴片的矩形贴片。

2.如权利要求1所述的一种用于方向图可重构天线的石墨烯高阻抗面，其特征在于：所述复合介质基板包括自上而下依次叠加的绝缘层、导体层和低损介质层，并且在石墨烯贴片和导体层之间加有直流偏置电压V_c。

3.如权利要求1所述的一种用于方向图可重构天线的石墨烯高阻抗面，其特征在于：所述高阻抗面是由N×N个正方形高阻抗面单元周期排列而成，其中N≥2。

4.如权利要求1所述的一种用于方向图可重构天线的石墨烯高阻抗面，其特征在于：所述高阻抗面正上方设置有天线辐射单元。

5.如权利要求1所述的一种用于方向图可重构天线的石墨烯高阻抗面，其特征在于：所述低损介质层厚度h₃<λ_g/4，其中λ_g是低损介质层中的导波波长。

6.如权利要求1所述的一种用于方向图可重构天线的石墨烯高阻抗面，其特征在于：所述绝缘层材料为氧化铝。

7.如权利要求1所述的一种用于方向图可重构天线的石墨烯高阻抗面，其特征在于：所述导体层材料为多晶硅。

8.如权利要求1所述的一种用于方向图可重构天线的石墨烯高阻抗面，其特征在于：所述低损介质层材料为玻璃。