CN107134635A - 基于石墨烯超材料的双频带波束可重构mimo天线 - Google Patents

基于石墨烯超材料的双频带波束可重构mimo天线 Download PDF

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刘深鹏
王晨
唐彬
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    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/364—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith using a particular conducting material, e.g. superconductor
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Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯超材料的双频带波束可重构MIMO天线，属于天线技术领域。该天线包括从上至下依次设置的石墨烯贴片层、第一石英基板层、石墨烯超材料结构层、第二石英基板层、多晶硅基板层、砷化镓基板层。采用石墨烯代替金属，利用石墨烯贴片天线单元之间的互耦效应实现其双频带特性，保持了良好的方向图特性，并且通过调节加载到每个石墨烯超材料结构阵列上面的电压实现了该MIMO天线的波束可重构特性。本发明所涉及的石墨烯天线与传统材料所构成的天线相比具有尺寸小、稳定性高、易于集成的特点。

Description

基于石墨烯超材料的双频带波束可重构MIMO天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种基于石墨烯超材料的双频带波束可重构MIMO天线。
背景技术
随着通信技术的发展，现阶段可用的微波频带资源越来越匮乏。为了很好的解决这一问题，大量学者提出了多输入多输出(MIMO)系统。其发射端和接收端都采用多天线的系统，它可以在同一频带内提供传输平行信息的几个无线信道，并大大地增加了通信系统的容量。随着MIMO技术的发展，应用于该系统的MIMO天线的研究也变得十分迫切。对于天线等无源器件，使用石墨烯材料能够带来显著的好处。石墨烯作为一种新型材料，其等离子表面波的谐振频率在太赫兹频段内。虽然近年来有大量相关的理论已经提出，但是相关的实际石墨烯天线设计还是相对较少，将石墨烯这一新型材料应用于MIMO通信系统中更是鲜有成果。2013年Michele Tamagnone提出了一种金属-石墨烯混合结构的天线，但是该天线模型效率不够高，且只是单纯的实现了天线的单频率可重构特性，其带宽进一步拓宽也没能实现。石墨烯天线具有高小型化、易于集成的特点，这就使得其在纳米级的无线通信和传感系统中具有巨大潜能。
发明内容
针对背景技术中存在的不足，本发明提供了一种基于石墨烯超材料的双频带波束可重构MIMO天线，该天线采用石墨烯代替金属，利用石墨烯贴片天线单元之间的互耦效应实现其双频带特性，保持了良好的方向图特性，并且通过调节加载到每个石墨烯超材料结构阵列上面的电压实现了该MIMO天线的波束可重构特性。
技术方案:一种基于石墨烯超材料的双频带波束可重构MIMO天线，从上至下依次为石墨烯贴片层、第一石英基板层、石墨烯超材料结构层、第二石英基板层、多晶硅基板层、砷化镓基板层。
所述第一石英基板层、多晶硅基板层、第二石英基板层以及砷化镓基板层为相同尺寸的矩形板。
所述石墨烯贴片层为均匀分布的四个尺寸相同的谐振单元，每个谐振单元包括两个矩形石墨烯贴片，其间设置有用于加载激励源的缝隙。
所述石墨烯超材料结构层包括四个超材料结构阵列，每个阵列位于对应谐振单元的正下方；所述超材料结构阵列由M*N(7≤M,N≤10)个石墨烯方环均匀排布构成，每列或每行的方环之间设置有矩形石墨烯连接片，并且连通的每列或每行分别加载有电压。
本发明采用两个矩形石墨烯贴片构成谐振单元，使天线产生THz频段的谐振。对应于每个谐振单元的下方都设置有一个石墨烯超材料结构阵列，通过控制加载到石墨烯超材料结构上的每个纵列或横列上的电压来改变石墨烯的表面阻抗，从而来实现其波束可重构特性。此外，石墨烯超材料结构阵列还可以增加石墨烯贴片天线的阻抗带宽。本发明所涉及的石墨烯天线与传统材料所构成的天线相比具有尺寸小、稳定性高、易于集成的特点。
附图说明
图1为本发明实施例的俯视图；
图2为本发明实施例的侧视图；
图3为石墨烯超材料结构图；
图4为天线的S11参数；
图5为在频率为1THz的E面方向图；
图6为在频率为1THz的波束可重构示意图。
附图标号说明：1为本发明所述天线的多层基板；2为石墨烯超材料结构阵列；3为石墨烯贴片；4为缝隙；5为石墨烯贴片层；6为第一石英基板层；7为石墨烯超材料结构层；8为第二石英基板层；9为多晶硅基板层；10为砷化镓基板层；11石墨烯方环；12为矩形石墨烯连接片。
具体实施方式
下面结合具体实验数据进一步阐明本发明，该实例仅用于说明本发明而不限制于本发明，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利说明书所限定的范围。
如图1、2所示，一种基于石墨烯超材料的双频带波束可重构MIMO天线，其长*宽尺寸为160um*160um。从上至下依次为石墨烯贴片层、第一石英基板层、石墨烯超材料结构层、第二石英基板层、多晶硅基板层、砷化镓基板层。第一石英基板的厚度为100nm，第二石英基板的厚度为50nm，多晶硅基板的厚度为1000nm，砷化镓基板的厚度为1800nm。由于石墨烯是单原子层，所以石墨烯贴片层和石墨烯超材料结构层的厚度可以忽略不计。
如图1所示，石墨烯贴片层为均匀分布的四个尺寸相同的谐振单元，每个谐振单元包括两个矩形石墨烯贴片，石墨烯贴片尺寸为W*L＝13um*15um，其间设置有用于加载激励源的缝隙，缝隙宽度为2um；图1中，G1＝52um，G2＝65um，G3＝10um，G4＝12um，G5＝22.5um，G6＝23.5um。
如图3所示，所述石墨烯超材料结构层包括四个超材料结构阵列，每个超材料阵列位于谐振单元的正下方；每个石墨烯超材料结构阵列都由49个石墨烯方环构成，均匀的分布于以四个石墨烯贴片为中心的第二石英基板层之上。石墨烯超材料结构阵列的每个纵列都由7个石墨烯方环构成，方环的尺寸为7.5um*7.5um，方环的宽度均为1um，单个纵列的各个方环的中间由一个1um*1um的石墨烯贴片连接起来,每个纵列之间的间隔为1um。
图4给出了天线的S11参数图，可以看出在加入方环超材料阵列结构以后天线的谐振频率存在少量偏移，但是仍然在可接受的范围内。可以看出在增加方环超材料阵列结构后，在低频带0.8THz附近和高频带1THz附近天线的阻抗带宽明显增加了。
为了展示这种石墨烯超材料结构阵列对天线辐射方向图的影响，本发明模拟了几种不同的情况。本说明用m来表示对每个石墨烯超材料结构阵列加载15V电压的行数。例如，m＝0表示每个石墨烯超材料结构阵列的每个行都不加载电压；m＝2表示每个石墨烯超材料结构阵列的第一行和第二行加载15V电压，其余行不加载电压；m＝7表示每个石墨烯超材料结构阵列的每个行都加载15V电压。图6描述了m＝1，4和7时的2-D辐射方向图，此时的天线的中心频率为1THz。由此可以看出，通过改变加载到石墨烯超材料结构阵列上的电压可以实现本发明所述天线的波束可重构特性。

Claims (2)

1.一种基于石墨烯超材料的双频带波束可重构MIMO天线，从上至下依次为石墨烯贴片层、第一石英基板层、石墨烯超材料结构层、第二石英基板层、多晶硅基板层、砷化镓基板层；
所述第一石英基板层、多晶硅基板层、第二石英基板层以及砷化镓基板层为相同尺寸的矩形板；
所述石墨烯贴片层为均匀分布的四个尺寸相同的谐振单元，每个谐振单元包括两个矩形石墨烯贴片，其间设置有用于加载激励源的缝隙；
所述石墨烯超材料结构层包括四个超材料结构阵列，每个阵列位于对应谐振单元的正下方；所述超材料结构阵列由若干个石墨烯方环均匀排布构成，每列或每行的方环之间设置有矩形石墨烯连接片，并且连通的每列或每行分别加载有电压。
2.一种基于石墨烯超材料的双频带波束可重构MIMO天线，其特征在于：所述超材料结构阵列由M*N个石墨烯方环均匀排布构成，其中7≤M，N≤10。
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