CN107579348A - 一种方向图可重构天线和一种通讯设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种方向图可重构天线和一种通讯设备。所述方向图可重构天线包括：基板、偶极子天线辐射单元、金属片和石墨烯片。偶极子天线辐射单元设置于基板的表面，石墨烯片设置于所述偶极子天线辐射单元周围，金属片设置于相邻两个所述石墨烯片之间。本发明通过调整相邻两个石墨烯片加设的电压值来控制相邻两个石墨烯片的化学势，从而改变相邻两个石墨烯片之间的金属片的内部电磁场的分布，进而控制偶极子天线辐射单元的辐射信号的方向，最终实现天线的方向图可重构。由于石墨烯的工作频率覆盖了太赫兹频段，因此，本发明的方向图可重构天线可实现太赫兹频段通信系统射频终端的信号发射与接收，提高了通讯效率。

Description

一种方向图可重构天线和一种通讯设备

技术领域

本发明涉及天线领域，特别是涉及一种方向图可重构天线和一种通讯设备。

背景技术

随着无线通信技术的快速发展，要求天线的特性参数能够根据环境变化作出快速响应。由此而言，可重构天线是一种很好的解决方案。理想的可重构天线能够根据实际需求对天线的参数，如工作频率、辐射方向图和极化方式等进行独立调整。但根据目前的研究情况，仅能够对一个或者两个参数进行调整。而方向图可重构天线通过使信号指向目标方向，从而能够避免噪音干扰，提高安全性，节省能量，它是可重构天线领域中非常重要的部分。

相比于微波通信，太赫兹通信具有具有传输速率高、容量大、方向性强、安全性高及穿透性好等诸多特性。虽然太赫兹通信具有显著的优势，但是传统的电学、光学器件都不能满足太赫兹波以及太赫兹通信系统器件的频率需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种方向图可重构天线和一种通讯设备，用于太赫兹频段通信系统射频终端的信号发射与接收，提高了通讯效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种方向图可重构天线，包括：

基板；

偶极子天线辐射单元，设置于所述基板的上表面，用于发射天线辐射信号；

石墨烯片，设置于所述偶极子天线辐射单元周围；所述石墨烯片的上下表面加设有直流电压，通过调整相邻两个所述石墨烯片加设的电压值来控制相邻两个所述石墨烯片的化学势；

金属片，设置于相邻两个所述石墨烯片之间，用于连接相邻两个所述石墨烯片，通过调整相邻两个所述石墨烯片的化学势，从而改变相邻两个所述石墨烯片之间的所述金属片的内部电磁场的分布，进而调整所述天线辐射信号的方向。

可选的，所述基板包括：

接地层，处于所述基板的最底层；

硅基层，设置在所述接地层的上表面；

介质层，设置在所述硅基层的上表面；

所述石墨烯片和所述硅基层之间设有直流电压。

可选的，所述偶极子天线辐射单元为两个，两个所述偶极子天线辐射单元交叉设置。

可选的，两个所述偶极子天线辐射单元正交设置。

可选的，所述偶极子天线辐射单元能够沿着自身的中心旋转。

可选的，所述介质层的材料为聚酰亚胺，所述介质层的厚度为35um。

可选的，多个所述石墨烯片均匀设置于所述偶极子天线辐射单元周围。

本发明还提供了一种通讯设备，所述通讯设备包括上述所述的方向图可重构天线。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供一种方向图可重构天线和一种通讯设备。所述方向图可重构天线包括：基板、偶极子天线辐射单元、金属片和石墨烯片。偶极子天线辐射单元设置于基板的表面，石墨烯片设置于偶极子天线辐射单元周围，金属片设置于相邻两个石墨烯片之间。本发明通过调整相邻两个所述石墨烯片的化学势，改变石墨烯的电导率，调节石墨烯贴片的阻抗状态，改变其电流分布，从而改变相邻两个所述石墨烯片之间的所述金属片的内部电磁场的分布，使得金属片起到类似于反射器或引向器的作用，进而控制偶极子天线辐射单元的辐射信号的方向。同时由于石墨烯的工作频率覆盖了太赫兹频段，因此，本发明的方向图可重构天线可实现太赫兹频段通信系统射频终端的信号发射与接收。又基于太赫兹通信系统具有通讯传输速率高、容量大、方向性强、安全性高及穿透性好的特性，所以，本发明的方向图可重构天线提高了通讯效率。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明方向图可重构天线的实施例的主视图；

图2为本发明方向图可重构天线的实施例的侧视图；

图3为基于本发明方向图可重构天线的实施例的工作时的E面方向图一；

图4为基于本发明方向图可重构天线的实施例的工作时的E面方向图二；

图5为基于本发明方向图可重构天线的实施例的工作时的回波损耗特性图。

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。

本发明的目的是提供一种方向图可重构天线和一种通讯设备，用于太赫兹频段通信系统射频终端的信号发射与接收，提高射频通讯的效率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供了一种方向图可重构天线基板，图1为本发明方向图可重构天线的实施例的主视图；图2为本发明方向图可重构天线的实施例的侧视图。如图1所示，本实施例提供的方向图可重构天线包括：第一偶极子天线辐射单元11、第二偶极子天线辐射单元12、基板13、金属片14、第一石墨烯片101、第二石墨烯片102、第三石墨烯片103、第四石墨烯片104、第五石墨烯片105、第六石墨烯片106、第七石墨烯片107和第八石墨烯片108。

第一偶极子天线辐射单元11和第二偶极子天线辐射单元12设置于基板13的上表面，用于发射天线辐射信号。

第一石墨烯片101、第二石墨烯片102、第三石墨烯片103、第四石墨烯片104、第五石墨烯片105、第六石墨烯片106、第七石墨烯片107和第八石墨烯片108设置于第一偶极子天线辐射单元11和第二偶极子天线辐射单元12周围；石墨烯片的上下表面加设有直流电压，通过调整相邻两个石墨烯片加设的电压值来控制相邻两个石墨烯片的化学势。

金属片14，设置于相邻两个石墨烯片之间，用于连接相邻两个石墨烯片，通过调整相邻两个所述石墨烯片的化学势，改变石墨烯的电导率，调节石墨烯贴片的阻抗状态，改变其电流分布，从而改变相邻两个所述石墨烯片之间的所述金属片的内部电磁场的分布，使得金属片起到类似于反射器或引向器的作用，进而控制偶极子天线辐射单元的辐射信号的方向。

如图2所示，基板13为复合材料基板，自下而上依次叠加的为接地层201，硅基层202和介质层203。接地层201，处于基板13的最底层；硅基层202，设置在接地层201的上表面；介质层203，设置在硅基层202的上表面；石墨烯片和硅基层202之间设有直流电压，用于调节石墨烯的表面电导率。

印刷在基板13上表面中间的第一偶极子天线辐射单元11和第二偶极子天线辐射单元12长80um，宽2um，两臂中间间隙为2um，并且相互正交，两个偶极子天线辐射单元中间处使用集总端口馈电。金属片14外径为70um，内径为60um，材料为导体。

环形金属片14中嵌有8个石墨烯片，长10um，宽5um，每个石墨烯贴片中心相差45度，均匀分布于环形金属片上，其厚度为1nm。基板13边长为340um，其中介质层203的材料为聚酰亚胺，介电常数为3.5，损耗正切角为0.0027，介质层203厚度为35um；硅基层202厚度为5um，其介电常数为11.9，损耗正切角为0.0025，接地层201厚度为5um。

根据石墨烯的表面电导率Kobo公式：

σ_s＝σ_inter+σ_intra

其中，σ_s为石墨烯的表面电导率，σ_inter为石墨烯的带内电导率，σ_intra为石墨烯的带间电导率。i代表虚数，γ是碰撞频率，γ＝1/2τ，τ是接近τ＝0.5ps的电子散射时间，ps是皮秒，时间单位，T为热力学温度，取T＝300K，k_B为玻尔兹曼常数，h为普朗克常量， 为约化普朗克常数，e是电子带电量，ω是角频率，μ_c为加于石墨烯的化学势。通过计算得到石墨烯在不同化学势下的表面电导率结果并导入电磁仿真软件CST中进行计算，仿真天线的基本性能，如回波损耗，电压驻波比，方向图及辐射效率等。

因为石墨烯的电势不同，所表现的性质不同，而电压和载流子浓度之间公式如下：

其中，t为石墨烯片的厚度，n_s为载流子浓度，而载流子浓度和化学势之间关系可表示为：n_s＝μ_c ²/πh²v_f ²。μ_c为加于石墨烯的化学势，h为普朗克常量，v_f为费米速率(石墨烯中为10⁸cm/s)，ε_r为相对介电常数，ε₀为真空介电常数。通过这两个关系，得到电压和化学势的关系。

当第一偶极子天线辐射单元11工作时，第六石墨烯片106、第七石墨烯片107和第八石墨烯片108电势设置为0eV，此时，这些石墨烯片与中间的金属片类似于引向器，第一石墨烯片101、第二石墨烯片102、第三石墨烯片103、第四石墨烯片104和第五石墨烯片105电势设置为15eV时，这些石墨烯片与中间的金属片类似于反向器，这样，环形金属片作用使得天线主瓣方向逐渐向左侧移动，方向图如图3所示，其中，E面指与电场方向平行的方向图切面。

当第二石墨烯片102、第三石墨烯片103和第四石墨烯片104电势设置为0eV，第一石墨烯片101、第五石墨烯片105、第六石墨烯片106、第七石墨烯片107和第八石墨烯片108电势设置为15eV时，方向图如图4所示，其中，E面指与电场方向平行的方向图切面。

同样，当第二偶极子天线辐射单元12工作时，第八石墨烯片108、第一石墨烯片101和第二石墨烯片102电势设置为0eV，第三石墨烯片103、第四石墨烯片104、第五石墨烯片105、第六石墨烯片106和第七石墨烯片107电势设置为15eV时，此时的方向图为把图3顺时针旋转90°得到的方向图。

当第四石墨烯片104、第五石墨烯片105和第六石墨烯片106电势设置为0eV，第一石墨烯片101、第二石墨烯片102、第三石墨烯片103、第七石墨烯片107和第八石墨烯片108电势设置为15eV时，此时的方向图为把图4顺时针旋转90°得到的方向图。

如此，本发明提供的方向图可重构天线便实现了前后左右四个方向的可重构，天线主瓣辐射偏转可达±50°，其工作频率为1.028THz，天线增益达5.85dB，其回波损耗特性图S11如图5所示。

本实施例通过调整相邻两个石墨烯片加设的电压值来控制相邻两个石墨烯片的化学势，改变石墨烯的电导率，调节石墨烯贴片的阻抗状态，改变其电流分布，从而改变相邻两个所述石墨烯片之间的所述金属片的内部电磁场的分布，使得金属片起到类似于反射器或引向器的作用，进而控制偶极子天线辐射单元的辐射信号的方向，最终实现天线的方向图可重构。同时由于石墨烯的工作频率覆盖了太赫兹频段，因此，本发明的方向图可重构天线可实现太赫兹频段通信系统射频终端的信号发射与接收。又基于太赫兹通信系统具有通讯传输速率高、容量大、方向性强、安全性高及穿透性好的特性，所以，本发明的方向图可重构天线提高了通讯效率。

根据图1的结构，还可以得到只设置一个偶极子天线辐射单元的实施例，在该实施例中，偶极子天线辐射单元可以沿着自己的中心旋转，因此可以根据需要改变天线主瓣的方向。

本发明基于石墨烯制作的方向图可重构天线工作在太赫兹波段，工作频率可以通过改变偶极子天线辐射单元的尺寸，基板介质层材料和大小以及调整石墨烯的电压来调节。基于本发明的方向图可重构太赫兹天线，具有结构简单、小型化、易集成等特点。

本发明还提供了一种通讯设备，所述通讯设备包括上述所述的方向图可重构天线。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种方向图可重构天线，其特征在于，所述方向图可重构天线包括：

基板；

偶极子天线辐射单元，设置于所述基板的上表面，用于发射天线辐射信号；

石墨烯片，设置于所述偶极子天线辐射单元周围；所述石墨烯片的上下表面加设有直流电压，通过调整相邻两个所述石墨烯片加设的电压值来控制相邻两个所述石墨烯片的化学势；

金属片，设置于相邻两个所述石墨烯片之间，用于连接相邻两个所述石墨烯片，通过调整相邻两个所述石墨烯片的化学势，从而改变相邻两个所述石墨烯片之间的所述金属片的内部电磁场的分布，进而调整所述天线辐射信号的方向。

2.根据权利要求1所述的方向图可重构天线，其特征在于，所述基板包括：

接地层，处于所述基板的最底层；

硅基层，设置在所述接地层的上表面；

介质层，设置在所述硅基层的上表面；

所述石墨烯片和所述硅基层之间设有直流电压。

3.根据权利要求1所述的方向图可重构天线，其特征在于，所述偶极子天线辐射单元为两个，两个所述偶极子天线辐射单元交叉设置。

4.根据权利要求3所述的方向图可重构天线，其特征在于，两个所述偶极子天线辐射单元正交设置。

5.根据权利要求1所述的方向图可重构天线，其特征在于，所述偶极子天线辐射单元能够沿着自身的中心旋转。

6.根据权利要求2所述的方向图可重构天线，其特征在于，所述介质层的材料为聚酰亚胺，所述介质层的厚度为35um。

7.根据权利要求1所述的方向图可重构天线，其特征在于，多个所述石墨烯片均匀设置于所述偶极子天线辐射单元周围。

8.一种通讯设备，其特征在于，所述通讯设备包括权利要求1至7任一项所述的方向图可重构天线。