CN107369888B - 一种石墨烯双频可调天线及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种石墨烯双频可调天线及其制备方法，包括：介质基片(1)、绝缘层(2)、馈电传输线(3)、接地电极(4)、辐射贴片(5)以及两个L形枝节(6)，辐射贴片(5)为非对称形状的石墨烯贴片；绝缘层(2)覆盖于介质基片(1)上；接地电极(4)与馈电传输线(3)、辐射贴片(5)以及两个L形枝节(6)共面，且设置于绝缘层(2)上；馈电传输线(3)与接地电极(4)组成共面波导馈电结构；两个L形枝节(6)之间有间距，且每个L形枝节(6)的一端分别与接地电极(4)一体连接；辐射贴片(5)与每个L形枝节(6)的另一端之间具有间隔，馈电传输线(3)位于辐射贴片(5)的一侧，且与辐射贴片(5)相连。应用本发明实施例提供的技术方案，实现了天线在不同频段内的反射参数具有不同的变化趋势。

Description

一种石墨烯双频可调天线及其制备方法

技术领域

本发明涉及天线技术领域，特别是涉及一种石墨烯双频可调天线及其制备方法。

背景技术

第五代移动通信技术5G是当前通信领域的研究热点。针对5G应用需求，各个国际、国内组织都进行了频谱需求预测，普遍认为5G需要工作在更高的毫米波频段。近期的世界无线电通信大会(WRC)上公布了24GHz到86GHz之间的可用5G频段：27.5～29.5,37～40.5GHz等。

随着全球信息科技化的快速发展，尤其是近30年的无线通信技术的不断革新，对天线性能的要求不断提高。为了适应现代科技的一些要求，天线在诸多方面进行技术革新，例如多频工作，减小尺寸，增加带宽，提高增益，频率可调等。因此，研究一种工作在5G频段且频率可调的天线极具现实意义。

目前，有关石墨烯可调天线方面的研究较少。而通过施加偏压改变石墨烯的电导率，进而调节石墨烯天线的性能参数，这一机制已经在仿真和实验中得到了证实。例如，2015年罗马尼亚布加勒斯特大学曾研发出一种基于石墨烯的微结构天线，如图1所示，该天线由接地电极11、介质基片12、石墨烯贴片13和馈电传输线14组成，且该天线中石墨烯贴片的形状是结构对称的长方形。如图2所示，可以看出，该天线工作在8-12GHz的X波段，天线的反射参数(S11)可以被外部直流偏压调控，但是在8-12GHz整个频段范围内，天线的反射参数的变化趋势相同。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种石墨烯双频可调天线及其制备方法，以实现天线在不同频段内的反射参数具有不同的变化趋势。具体技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种石墨烯双频可调天线，包括：介质基片1、绝缘层2、馈电传输线3、接地电极4、辐射贴片5以及两个L形枝节6，所述辐射贴片5为非对称形状的石墨烯贴片；

所述绝缘层2覆盖于所述介质基片1上；

所述接地电极4与所述馈电传输线3、所述辐射贴片5以及所述两个L形枝节6共面，且设置于所述绝缘层2上；其中，所述馈电传输线3与所述接地电极4组成共面波导馈电结构；

所述两个L形枝节6之间具有间距，且每个L形枝节6的一端分别与所述接地电极4一体连接；

所述辐射贴片5与每个L形枝节6的另一端之间具有间隔，其中，所述每个L形枝节6的另一端为远离所述接地电极4的一端；

所述馈电传输线3位于所述辐射贴片5的一侧，且与所述辐射贴片5相连，其中，该辐射贴片5的一侧为远离每个L形枝节6的另一端的一侧。

可选的，所述接地电极4与所述馈电传输线3相邻的两侧结构对称，且呈阶梯形。

可选的，所述介质基片1为9毫米×9毫米，厚度为600微米的本征高阻硅介质基片。

可选的，所述绝缘层2为9毫米×9毫米，厚度为300纳米的二氧化硅绝缘层。

第二方面，本发明实施例提供了一种上述的石墨烯双频可调天线的制备方法，所述方法包括：

在介质基片1上沉积二氧化硅薄膜得到绝缘层2；

将石墨烯转移至所述绝缘层2上；并将转移至所述绝缘层2上的石墨烯刻蚀成非对称形状，形成辐射贴片5；

通过磁控溅射技术，在绝缘层2上沉积金属，通过紫外光刻技术刻蚀沉积至绝缘层2的金属，得到馈电传输线3、接地电极4以及两个L形枝节6。

可选的，所述在介质基片1上沉积二氧化硅薄膜得到绝缘层2，包括：

通过等离子体增强化学气相沉积PECVD方法，在所述介质基片1上沉积二氧化硅薄膜，得到绝缘层2。

可选的，所述将转移至所述绝缘层2上的石墨烯刻蚀成辐射贴片5，包括：

通过紫外光刻以及感应耦合等离子体刻蚀ICP技术，将转移至所述绝缘层2上的石墨烯刻蚀成非对称形状，形成辐射贴片5。

本发明实施例提供的石墨烯双频可调天线及其制备方法，由于天线结构不对称，在施加偏压后天线表面产生的外加电场分布不均匀，所以石墨烯辐射贴片上不同位置处的电导率变化情况不相同，从而，实现了天线的反射参数在两个频段内变化趋势不一致。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术提供的一种基于石墨烯的微结构天线的结构示意图；

图2为现有技术提供的一种基于石墨烯的微结构可调天线的S11图；

图3为本发明实施例提供的一种石墨烯双频可调天线的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种石墨烯双频可调天线的一部分尺寸参数图；

图5为本发明实施例提供的一种石墨烯双频可调天线的另一部分尺寸参数图；

图6为本发明实施例提供的一种石墨烯双频可调天线的又一部分尺寸参数图；

图7为本发明实施例提供的一种石墨烯双频可调天线在不同偏置电压下的S11实测结果；

图8为本发明实施例提供的一种石墨烯双频可调天线在0V偏压时的Smith图；

图9为本发明实施例提供的一种石墨烯双频可调天线制备方法的流程图。

附图标记说明：1-介质基片；2-绝缘层；3-馈电传输线；4-接地电极；5-辐射贴片；6-L形枝节。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为解决现有技术问题，本发明公开了一种石墨烯双频可调天线及其制备方法，实现了天线在不同频段内反射参数具有不同的变化趋势，以下分别进行详细说明。

参见图3，图3为本发明实施例石墨烯双频可调天线的结构示意图，包括：介质基片1、绝缘层2、馈电传输线3、接地电极4、辐射贴片5以及两个L形枝节6，其中，

介质基片1是天线的重要构成部分，常见的介质基片包括：玻纤布基、玻纤和纸的复合基板、纸基覆铜板、高阻硅等，本发明实施例对具体使用的介质基片不做限定。

一般而言，介质基片1中会掺杂有杂质，属于非绝对绝缘材料，为了实现介质基片1的绝对绝缘，可以将绝缘层2覆盖于介质基片1上，从而起到绝对保护电路的作用，以便后续天线能够工作在安全的电路环境下。绝缘材料主要指电阻率为109～1022欧姆/厘米的物质所构成的材料，常见的绝缘材料包括：云母、玻璃、陶瓷、二氧化硅等等。

接地电极4与馈电传输线3、辐射贴片5以及两个L形枝节6共面，且设置于绝缘层2上，馈电传输线3与接地电极4组成共面波导馈电结构。共面波导馈电结构具有单一平面传输线结构的优点，其金属面均在同一平面内，可以简化天线制作工艺，并且有利于天线的片上集成。

两个L形枝节6之间具有间距，且每个L形枝节6的一端分别与接地电极4一体连接，辐射贴片5与每个L形枝节6的另一端之间具有间隔，其中，每个L形枝节6的另一端为远离接地电极4的一端。

馈电传输线3位于辐射贴片5的一侧，且与辐射贴片5相连，其中，该辐射贴片5的一侧为远离每个L形枝节6的另一端的一侧。

辐射贴片5为非对称形状的石墨烯贴片，石墨烯具有高电导率。石墨烯电导率高的特性有利于减少天线辐射能量的损耗，从而提高天线的性能。

本发明实施例提供的石墨烯双频可调天线，通过设置非对称形状石墨烯贴片、介质基片1、绝缘层2、馈电传输线3、接地电极4、以及两个L形枝节6，实现了天线的双频工作。并且由于天线结构的不对称，导致了石墨烯贴片上不同位置处受偏压电场的影响不一样，从而使石墨烯辐射贴片上不同位置的电导率变化情况不同。因此，实现了天线在两个频段内的反射参数具有不同的变化趋势。

为了使天线具备更好地工程性能，在一种具体的实施方式中，如图3所示，接地电极4与馈电传输线3相邻的两侧结构对称，且呈阶梯形。

本征高阻硅具有较强的绝缘性，能够提高介质基片1的绝缘性。并且由于介质基片1的厚度和尺寸会影响天线的辐射能量，因此，为了减少天线辐射能量的损耗，较佳的，介质基片1可以为9毫米×9毫米，厚度为600微米的本征高阻硅介质基片。

为了有利于天线能够工作在安全的电路环境下，优选的，绝缘层2可以为9毫米×9毫米，厚度为300纳米的二氧化硅绝缘层。

参见图4-6，为本发明实施例提供的石墨烯双频可调天线的尺寸参数图，本发明实施例对各个参数的具体数值不做限定。由于天线中各个结构的尺寸都会影响天线的性能，为了使本发明实施例提供的天线能够工作在超高频段，并且工作性能良好，需要对天线的各个结构尺寸进行优化，在一种具体的实施方式中，优化后的各个参数的具体数值如表1所示，其中，各数值的单位为毫米。

表1

参数	尺寸	参数	尺寸	参数	尺寸	参数	尺寸
								L<sub>0</sub>	9	L<sub>7</sub>	1.015	L<sub>14</sub>	0.70	W<sub>5</sub>	2.10
L<sub>1</sub>	0.90	L<sub>8</sub>	1.40	L<sub>15</sub>	2.30	a<sub>1</sub>	0.35
								L<sub>2</sub>	0.90	L<sub>9</sub>	1.30	W<sub>0</sub>	0.09	a<sub>2</sub>	0.18
L<sub>3</sub>	1.80	L<sub>10</sub>	0.20	W<sub>1</sub>	0.18	a<sub>3</sub>	0.18
								L<sub>4</sub>	4.95	L<sub>11</sub>	0.40	W<sub>2</sub>	0.54	b<sub>1</sub>	0.50
L<sub>5</sub>	7.83	L<sub>12</sub>	1.60	W<sub>3</sub>	1.25	b<sub>2</sub>	0.21
								L<sub>6</sub>	5.40	L<sub>13</sub>	2	W<sub>4</sub>	1.45	b<sub>3</sub>	0.225

参见图7，图7为本发明实施例提供的石墨烯双频可调天线在不同偏置电压下反射参数(S11)的实测结果。通过分析可以得到以下结论：本发明实施例提供的石墨烯双频可调天线，可以工作在28.1GHz和37.4GHz两个频段，天线的S11参数可以受到外加偏压的调节。外加正向偏压时，28.1GHz频段处损耗变大，37.4GHz频段处损耗变小；外加反向偏压时，28.1GHz频段处损耗变小，37.4GHz频段处损耗变大。并且，在外加0V偏压条件下，28.1GHz频段内，天线的-10dB工作带宽为0.9GHz，37.4GHz频段内天线的-10dB工作带宽为1.11GHz。

可见，本发明实施例提供的石墨烯双频可调天线，在外加偏置电压的情况下，在两个频段内S11的变化趋势相反，这与目前报道的可调天线方面的研究结果有所差异，例如，2015年罗马尼亚布加勒斯特大学研发出了一种基于石墨烯的微结构天线，该天线工作在8-12GHz的X波段，且天线的S11参数可以被外部直流偏压调控。但是，在8-12GHz整个频段范围S11参数的变化趋势相同。

本发明实施例提供的石墨烯双频可调天线，在外加偏置电压的情况下，在两个频段内的S11的变化趋势相反，这对于实现多频天线特定频段的调控具有很重要的意义，有望应用于未来5G通信系统。

对应于图7的实测结果，当添加不同偏压时，本发明实施例提供的石墨烯双频可调天线在两个频段处的S11变化情况如表2所示：

表2

S11	28.1GHz	37.4GHz
			-70V	-27.79dB	-13.65dB
0V	-25.88dB	-14.31dB
			70V	-23.59dB	-16.10dB

图8为本发明实施例提供的石墨烯双频可调天线在0V偏压时的Smith(史密斯)圆图，并且Smith圆图的范围为：27GHz-40GHz，可以看出，本发明实施例提供的石墨烯双频可调天线在28.1GHz以及37.4GHz两个频段处有良好的阻抗匹配。

通过上述实验测试分析可以看出，本发明实施例提供的石墨烯双频可调天线不仅满足工程应用需求，而且其工作性能动态可调。天线结构简单，体积较小。

本发明还公开了一种上述石墨烯双频可调天线的制备方法。

参见图9，图9为本发明实施例提供的一种上述石墨烯双频可调天线的制备方法的流程示意图，具体步骤如下：

S101，在介质基片1上沉积二氧化硅薄膜得到绝缘层2；

按照本发明石墨烯双频可调天线的结构图，首先需要在介质基片1上沉积绝缘层2，介质基片1与绝缘层2共同组成介质基板。

具体的，在介质基片1上沉积二氧化硅薄膜得到绝缘层2，可以为：

通过等离子体增强化学气相沉积PECVD方法，在介质基片1上沉积二氧化硅薄膜，得到绝缘层2。

本实施例中采用的是等离子体增强化学气相沉积方法，是一种常规的沉积方法，这种方法利用辉光放电，在高频电场下使稀薄气体电离产生等离子体，这些离子在电场中被加速而获得能量，可以在较低温度下实现二氧化硅薄膜的沉积。

具体的，采用等离子体增强化学气相沉积方法时，可以使用氧化亚氮和硅烷气体，反应温度设置为250摄氏度，射频功率200瓦特，硅烷的气体流量为30sccm(standard cubiccentimeter per minute，表示1个大气压下，25摄氏度下，每分钟1立方厘米的流量)，氧化亚氮的气体流量为25sccm，腔压为1.0帕。沉积速率大约为60纳米/分钟。

本发明实施例以通过等离子体增强化学气相沉积PECVD方法，在介质基片1上沉积二氧化硅薄膜，得到绝缘层2为例进行说明，并不构成对本发明实施例的限定，在实际应用中，还可以采用恒电流沉积、恒电位沉积等电化学沉积方法在介质基片1上沉积二氧化硅薄膜，得到绝缘层2。

S102，将石墨烯转移至所述绝缘层2上；并将转移至所述绝缘层2上的石墨烯刻蚀成非对称形状，形成辐射贴片5；

将铜制基底上生长的石墨烯旋涂一层PMMA(polymethyl methacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)，然后将其放入刻蚀液中浸泡半小时左右；铜制基底基本被腐蚀干净，此时只剩下石墨烯和旋涂在其上的PMMA，将其转移到去离子水中多次漂洗；再用介质基片1和绝缘层2组成的整体将石墨烯从去离子水中捞出，此时石墨烯上还附着有PMMA，将其低温烘干，用丙酮浸泡，去除石墨烯上附着的PMMA，再进行清洗、烘干；最终实现将石墨烯转移到绝缘层2上。

本发明实施例对具体采用的刻蚀液不做限定，例如，可以为三氯化铁、过硫酸铵、过硫酸钾溶液等溶液。

将转移至绝缘层2上的石墨烯刻蚀成辐射贴片5，可以为：

通过紫外光刻以及感应耦合等离子体刻蚀ICP技术，将转移至绝缘层2上的石墨烯刻蚀成非对称形状，形成辐射贴片5。

为了得到如图3所示的辐射贴片5的形状，可以采用紫外光刻工艺以及感应耦合等离子体刻蚀ICP技术。紫外光刻工艺的设备简单，易于操作。采用光刻胶将石墨烯部分位置包裹着保护起来，露在外面的部分使用感应耦合等离子体刻蚀技术去除，需要用到等离子体刻蚀机。刻蚀条件可以为射频功率50瓦，反应仓腔压10毫托，反应仓内为氩气环境，氩气流量30sccm。刻蚀时间1分钟左右。刻蚀温度不能超过40摄氏度。

本发明实施例对具体的将转移至绝缘层2上的石墨烯刻蚀成非对称形状的方法不做限定，例如，该方法还可以为：采用等离子体增强化学气相沉积PECVD方法，将转移至绝缘层2上的石墨烯刻蚀成非对称形状。

S103，通过磁控溅射技术，在绝缘层2上沉积金属，通过紫外光刻技术刻蚀沉积至绝缘层2的金属，得到馈电传输线3、接地电极4以及两个L形枝节6。

磁控溅射是PVD(Physical Vapor Deposition，物理气相沉积)的一种。磁控溅射技术可被用于制备金属、半导体、绝缘体等多材料，且具有设备简单、易于控制、镀膜面积大和附着力强等优点，因此，本发明实施例采用磁控溅射技术，在绝缘层2上沉积金属，使得金属能够快速的沉积于绝缘层2上，且对绝缘层2的损伤小。

磁控溅射技术中具体的使用的工程参数可以为：真空室中为氩气环境，流量控制在23sccm，真空度保持在0.9帕，金靶电流为0.14安。此条件下金的沉积效率为25纳米/分钟。实验中需要沉积300纳米厚度的金箔，设置磁控溅射时间为720秒。

为了得到图3所示的馈电传输线3、接地电极4以及两个L形枝节6，可以采用紫外光刻技术刻蚀沉积至绝缘层2的金属。

可见，应用本发明实施例提供的石墨烯双频可调天线的制备方法，完成了对上述石墨烯双频可调天线的制备，实现了天线在两个频段内的反射参数具有不同的变化趋势，且制备方法简单，易于实现工业化，所采取的技术方法易于实现，材料的成本低，具有实用性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种石墨烯双频可调天线，其特征在于，包括：介质基片(1)、绝缘层(2)、馈电传输线(3)、接地电极(4)、辐射贴片(5)以及两个L形枝节(6)，所述辐射贴片(5)为非对称形状的石墨烯贴片；

所述绝缘层(2)覆盖于所述介质基片(1)上；

所述接地电极(4)与所述馈电传输线(3)、所述辐射贴片(5)以及所述两个L形枝节(6)共面，且设置于所述绝缘层(2)上；其中，所述馈电传输线(3)与所述接地电极(4)组成共面波导馈电结构；

所述两个L形枝节(6)之间具有间距，且每个L形枝节(6)的一端分别与所述接地电极(4)一体连接；

所述辐射贴片(5)与每个L形枝节(6)的另一端之间具有间隔，其中，所述每个L形枝节(6)的另一端为远离所述接地电极(4)的一端；

所述馈电传输线(3)位于所述辐射贴片(5)的一侧，且与所述辐射贴片(5)相连，其中，该辐射贴片(5)的一侧为远离每个L形枝节(6)的另一端的一侧。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述接地电极(4)与所述馈电传输线(3)相邻的两侧结构对称，且呈阶梯形。

3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述介质基片(1)为9毫米×9毫米，厚度为600微米的本征高阻硅介质基片。

4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述绝缘层(2)为9毫米×9毫米，厚度为300纳米的二氧化硅绝缘层。

5.一种如权利要求1至4任一项所述的石墨烯双频可调天线的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

在介质基片(1)上沉积二氧化硅薄膜得到绝缘层(2)；

将石墨烯转移至所述绝缘层(2)上；并将转移至所述绝缘层(2)上的石墨烯刻蚀成非对称形状，形成辐射贴片(5)；

通过磁控溅射技术，在绝缘层(2)上沉积金属，通过紫外光刻技术刻蚀沉积至绝缘层(2)的金属，得到馈电传输线(3)、接地电极(4)以及两个L形枝节(6)。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述在介质基片(1)上沉积二氧化硅薄膜得到绝缘层(2)，包括：

通过等离子体增强化学气相沉积PECVD方法，在所述介质基片(1)上沉积二氧化硅薄膜，得到绝缘层(2)。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述将转移至所述绝缘层(2)上的石墨烯刻蚀成辐射贴片(5)，包括：

通过紫外光刻以及感应耦合等离子体刻蚀ICP技术，将转移至所述绝缘层(2)上的石墨烯刻蚀成非对称形状，形成辐射贴片(5)。

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