CN107425263A - 石墨烯超宽带平面单极子天线 - Google Patents

石墨烯超宽带平面单极子天线 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种石墨烯超宽带平面单极子天线，包括石墨烯辐射体、共面波导和介质基板，所述石墨烯辐射体与所述共面波导设置在所述介质基板上；所述共面波导包括信号线以及地线，所述信号线与所述地线之间设置有集总端口。本发明可覆盖频段在太赫兹频段，具有超宽带、陷波、增益较高等优点，对石墨烯天线陷波方法和提高天线性能方法具有一定指导意义。

Description

石墨烯超宽带平面单极子天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体地，涉及一种石墨烯超宽带平面单极子天线。
背景技术
石墨烯是由碳原子构成的只有一层原子厚度的二维晶体，作为一种新型色散材料，由于在电磁学、热学和力学方面表现出许多优良的特性，已经成为了近年来的研究热点。由于其具有损耗较低，表面电导率随外加电场和磁场可调等优点，石墨烯在太赫兹技术上的应用前景十分广阔。
国外在石墨烯超宽带平面单极子天线已有人研究，通过对现有技术检索发现在1st IET Colloquium on Antennas,Wireless and Electromagnetics上发表的一篇关于石墨烯超宽带平面单极子天线的文章：Graphene THz Ultra Wideband CPW-fed MonopoleAntenna。文中介绍了一种在带宽在0.29THz至0.44THz频段的超宽带平面单极子天线。这种平面单极子天线虽然可以实现了超宽带和较好的辐射性能，但是并没有考虑加工因素，所设计天线在现有基础上并不能进行加工测试。
目前陷波的研究主要针对FCC(Federal Communications Commission)所定义的超宽带频率指标3.1-10.6GHz频段，主要陷波频段为5.15-5.35GHz和5.725-5.825GHz，WiMAX的工作频段3.3-3.6GHz以及C波段的卫星通信系统等与UWB频段冲的工作带宽。陷波可以使这些频段带有阻抗从而抑制干扰而其他频段性能不受影响，然而目前的陷波还没有对石墨烯天线进行研究。
发明内容
针对目前有关石墨烯天线的研究尤其考虑一些加工测试的研究几乎空白的现象，本发明的目的是提供一种石墨烯超宽带平面单极子天线。
根据本发明提供的一种石墨烯超宽带平面单极子天线，包括石墨烯辐射体、共面波导和介质基板，所述石墨烯辐射体与所述共面波导设置在所述介质基板上；
所述共面波导包括信号线以及地线，所述信号线与所述地线之间设置有集总端口。
优选的，所述信号线与所述石墨烯辐射体部分重合。
优选的，所述信号线上开槽，以达到陷波目的
优选的，所述槽的总长为陷波波长的一半。
优选的，在所述石墨烯辐射体与所述共面波导的周围设置有金属条带。
优选的，所述金属条带的宽度为所述石墨烯超宽带平面单极子天线的工作波长的一半。
优选的，所述金属条带距离所述石墨烯辐射体与所述共面波导的间距为所述石墨烯超宽带平面单极子天线的工作波长的一半。
优选的，所述金属条带的材质为金。
优选的，所述共面波导的材质为金。
优选的，所述介质基板的材质为熔凝石英。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明在设计的新型石墨烯超宽带平面单极子天线上，对该石墨烯天线的陷波方法和性能优化的方法进行研究，该天线可覆盖频段在太赫兹频段，具有超宽带、陷波、增益较高等优点，对石墨烯天线陷波方法和提高天线性能方法具有一定指导意义。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明第一种石墨烯超宽带平面单极子天线(天线一)的结构示意图；
图2为本发明第一种石墨烯超宽带平面单极子天线的石墨烯辐射体、共面波导的示意图；
图3为本发明第二种石墨烯超宽带平面单极子天线(天线二)的结构示意图；
图4为本发明第三种石墨烯超宽带平面单极子天线(天线三)的结构示意图；
图5为天线一在频率0.15THz时的增益化方向图；
图6为天线一在频率0.2THz时的增益化方向图；
图7为天线二和天线一的S11参数对比图；
图8为天线二和天线一的最大增益对比图；
图9为天线三的S11参数图；
图10为天线三和天线一的最大增益对比图；
图11为天线三在频率为0.15THz时的增益化方向图；
图12为天线三在频率为0.2THz时的增益化方向图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例一
如图1所示，本实施例提供的石墨烯超宽带平面单极子天线(天线一)，天线一可用于太赫兹频段等无线通信系统，平面单极子天线的尺寸是由最低工作频率确定的，本文中涉及的天线最低工作频率为0.15THz，如果工作频率改变的话，天线大小尺寸也应做出相应的改变。根据石墨烯电导率与频率的关系，在低太赫兹频段内，这种天线均可以工作。在本次发明中，石墨烯的偏置电压为0.5eV。
天线一主要包括石墨烯辐射体1、共面波导2和介质基板3，石墨烯辐射体1与共面波导2共同设置在介质基板3上。介质基板3为熔凝石英，体积为3000μm*5000μm*100μm，相对介电常数为3.78，损耗角正切为0.0001。介质基板3也可以为其他介质，只要石墨烯可以转移到其上面并且相对介电常数较小即可。
如图2所示，石墨烯辐射体1为带有两个切角的长方形，总长为310μm，切角长为60μm，总宽为250μm，切角宽度为85μm，厚度为一个碳原子厚度。共面波导2包括信号线201以及地线202，信号线201与地线202之间设置有集总端口203。为了后续加工时石墨烯辐射体1可以被馈电上，信号线201和石墨烯辐射体1有一定重合，重合距离10μm。共面波导2的材质为金，厚度为1μm，信号线201长度为254μm，宽度为80μm，地线202长度为277μm，宽度为100μm，信号线201和地线202之间间隙为15μm。
实施例二
如图3所示，本实施例提供的石墨烯超宽带平面单极子天线(天线二)在实施例一的基础上，基于谐振滤波的原理，在信号线201上开槽来达到陷波目的，所陷波频段为0.122THz，槽204总长约为所陷频段波长的一半，当陷波频段改变时，槽204的长度也会改变。本实施例中槽204的总长为880μm,宽度为5μm。
实施例三
如图4所示，本实施例提供的石墨烯超宽带平面单极子天线(天线三)在实施例一或者实施例二的基础上，在石墨烯辐射体1与共面波导2的周围约天线的工作波长一半的地方放置金属条带4，金属条带4选用金材质，宽度为约天线的工作波长的一半，厚度为1μm。该金属条带4的作用是将介质基板3上的大量能量阻隔在金属条带4内，并且金属条带4也起到组阵作用，从而提升天线方向性和增益性能。本实施例中，金属条带4的宽度为386μm。
图5为天线一在频率0.15THz时的增益化方向图，图6为天线一在频率0.2THz时的增益化方向图，从图5和图6可以看出，天线一的增益很小，且在0.15THz处H面就已经有一些非全向性，这是因为介质板过大，大量能量被激发，导致了方向性主要沿着水平方向。
图7为天线二和天线一的S11参数对比图，图8为天线二和天线一的最大增益对比图，通过图7和图8对比图可以看出，引入陷波后，在0.122THz所陷频段附近，S11突然增加到-10dB以上，且增益急剧下降，而在其他频段，对S11影响不大依然在-10dB以下，且最大增益几乎没有变化，说明开槽能够达到陷波目的。
图9为天线三的S11参数图，图10为天线三和天线一的最大增益对比图，通过图9和图10可以看出，引入金属条带后，S11在-10dB的频带为0.144THz-0.22THz，满足设计要求。且相对天线一，最大增益显著提高，说明引入金属条带具有改善提升天线增益的作用。
图11为天线三在频率为0.15THz时的增益化方向图，图12为天线三在频率为0.2THz时的增益化方向图。通过图11和图12可以看出，相比于天线一，引入金属条带后，在0.15THz天线方向图有很大改善，而在0.2THz处，H面依然存在一些变形。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种石墨烯超宽带平面单极子天线，其特征在于，包括石墨烯辐射体、共面波导和介质基板，所述石墨烯辐射体与所述共面波导设置在所述介质基板上；
所述共面波导包括信号线以及地线，所述信号线与所述地线之间设置有集总端口。
2.根据权利要求1所述的石墨烯超宽带平面单极子天线，其特征在于，所述信号线与所述石墨烯辐射体部分重合。
3.根据权利要求1所述的石墨烯超宽带平面单极子天线，其特征在于，所述信号线上开槽，以达到陷波目的。
4.根据权利要求3所述的石墨烯超宽带平面单极子天线，其特征在于，所述槽的总长为陷波波长的一半。
5.根据权利要求1所述的石墨烯超宽带平面单极子天线，其特征在于，在所述石墨烯辐射体与所述共面波导的周围设置有金属条带。
6.根据权利要求5所述的石墨烯超宽带平面单极子天线，其特征在于，所述金属条带的宽度为所述石墨烯超宽带平面单极子天线的工作波长的一半。
7.根据权利要求5所述的石墨烯超宽带平面单极子天线，其特征在于，所述金属条带距离所述石墨烯辐射体与所述共面波导的间距为所述石墨烯超宽带平面单极子天线的工作波长的一半。
8.根据权利要求5所述的石墨烯超宽带平面单极子天线，其特征在于，所述金属条带的材质为金。
9.根据权利要求1所述的石墨烯超宽带平面单极子天线，其特征在于，所述共面波导的材质为金。
10.根据权利要求1所述的石墨烯超宽带平面单极子天线，其特征在于，所述介质基板的材质为熔凝石英。
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