CN107645062A - 一种采用石墨烯单元的单层双频圆极化反射阵天线 - Google Patents
一种采用石墨烯单元的单层双频圆极化反射阵天线 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于天线技术领域，公开了一种采用石墨烯单元的单层双频圆极化反射阵天线，包括圆极化馈源和反射阵列，圆极化馈源由圆极化喇叭天线构成，反射阵列上表面由高频石墨烯单元和低频石墨烯单元交替排列而成，反射阵列下表面设置频率选择表面。本发明的反射阵列使用单层结构，引入石墨烯作为反射阵列单元的辐射体，相比于传统的金属反射阵天线，有效的提高了反射阵天线在太赫兹频段的性能；利用旋转单元法进行相位补偿，并在反射阵列下表面设置了频率选择表面，有效的减小了反射阵列两个不同频段单元之间的互耦。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种采用石墨烯单元的单层双频圆极化反射阵天线。
背景技术
近年来，反射阵天线由于其剖面低、占用空间小、质量轻、易与载体共形等优点已经在通信领域获得了广泛的应用，随着无线通信技术的发展，频带资源显得越来越稀缺，现有频段已经不能满足军事和民用通信的要求，因此太赫兹频段的利用显得尤为重要，随着微波通信的发展，在微波系统中通常要求天线实现双频工作以克服其频带窄的缺陷，而且远距离通信不仅需要高增益，对各种极化方式和气候条件也需要具有很强的抗干扰性，单一极化方式很难满足要求，圆极化的研究也必不可少。鉴于以上描述，太赫兹双频圆极化反射阵天线作为一种工作在两个太赫兹频段均能实现良好圆极化性能的天线技术，受到了国内外研究学者的高度重视。实现太赫兹双频圆极化反射阵天线有以下难点：第一，传统的双频圆极化反射阵天线一般分为单层变尺寸型反射阵和双层双频反射阵。对于单层变尺寸反射阵而言，如果两个工作频段比较相近，不同频段之间的单元就会存在强烈的互耦作用，直接影响天线在两个频段的方向图性能。对于双层双频反射阵天线而言，多层结构增加了制作工艺的复杂度以及额外的体积、重量和成本；第二，传统的反射阵天线一般采用金属作为天线的辐射体，然而在太赫兹波段，以金属材料(金、铜、铝等)为辐射体的太赫兹天线存在一些缺点。比如由于金属的尺寸效应和趋肤效应造成辐射体有效电阻增加从而影响阻抗匹配和效率，导致天线性能变差。
综上所述，现有技术存在的问题是：传统的双频圆极化反射阵天线存在多层结构增加了制作工艺的复杂度以及额外的体积、重量和成本；天线性能差。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种采用石墨烯单元的单层双频圆极化反射阵天线。
本发明是这样实现的，一种采用石墨烯单元的单层双频圆极化反射阵天线，所述采用石墨烯单元的单层双频圆极化反射阵天线包括作为馈源的圆极化喇叭天线和由多个高低频石墨烯单元组成的反射阵列；
所述反射阵列包括3层：高频石墨烯单元、低频石墨烯单元、石英基板、频率选择表面，高频石墨烯单元和低频石墨烯单元以阵列的形式交替排列且设在石英基板上表面，石英基板下表面设置频率选择表面。
进一步，所述反射阵列采用石墨烯作为反射阵列单元的辐射体。
进一步，所述高频石墨烯单元采用十字振子，通过调节十字振子的横纵向尺寸使沿x轴和y轴的极化电场的反射相位相差180°，所述低频石墨烯单元采用带有短截线的圆环，通过调节圆环短截线的长度和宽度使沿x轴和y轴的极化电场的反射相位相差180°。
进一步，所述高频石墨烯单元，低频石墨烯单元均按照旋转单元法进行相位补偿。
进一步，所述双频天线单元对应不同的频率选择表面；所述高频石墨烯单元对应的频率选择表面为十字缝隙，所述低频石墨烯单元对应的频率选择表面为圆环孔径。
进一步，所述高频石墨烯单元中心频率为1.1THz，所述低频石墨烯单元的中心频率为0.65THz。
本发明的优点及积极效果为：利用石墨烯代替金属材料作为太赫兹反射阵天线阵列单元的辐射体，克服了太赫兹频段由于金属的尺寸效应和趋肤效应造成辐射体有效电阻增加从而影响阻抗匹配和效率，导致天线性能变差的问题。利用旋转单元法补偿相位和设置频率选择表面，克服了双频单层圆极化反射阵天线不同频段单元之间的互耦作用，提高了双频单层圆极化反射阵天线的方向性能，保证了圆极化。
本发明的石墨烯单层双频圆极化反射阵天线，有效提高反射阵天线在太赫兹频段的性能。
附图说明
图1是本发明实施例提供的采用石墨烯单元的单层双频圆极化反射阵天线；
图2是本发明实施例提供的反射阵天线馈源结构示意图；
图3是本发明实施例提供的反射阵天线高频天线单元结构示意图；
图4是本发明实施例提供的反射阵天线低频天线单元结构示意图；
图5是本发明实施例提供的反射阵天线的平面结构正面图；
图6是本发明实施例提供的反射阵天线的平面结构背面图；
图7是本发明实施例提供的反射阵天线高频天线单元沿x轴和y轴的极化电场的相位变化曲线示意图；
图8是本发明实施例提供的反射阵天线低频天线单元沿x轴和y轴的极化电场的相位变化曲线示意图；
图9是本发明实施例提供的反射阵天线高频天线单元的反射透射幅度随频率变化的曲线示意图；
图10是本发明实施例提供的反射阵天线低频天线单元的反射透射幅度随频率变化的曲线示意图；
图11是本发明实施例提供的反射阵天线高频增益方向图；
图12是本发明实施例提供的反射阵天线低频增益方向图；
图中：1、圆极化喇叭馈源；2、高频石墨烯单元；3、低频石墨烯单元；4、石英介质基板；5、高频单元频率选择表面；6、低频单元频率选择表面。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的采用石墨烯单元的单层双频圆极化反射阵天线包括：1、圆极化喇叭馈源；2、高频石墨烯单元；3、低频石墨烯单元；4、石英介质基板；5、高频单元频率选择表面；6、低频单元频率选择表面。
本发明实施例提供的采用石墨烯单元的单层双频圆极化反射阵天线包括一个作为馈源的圆极化喇叭天线，100个低频石墨烯单元以及121个高频石墨烯单元组成的反射阵列。反射阵列包括三层，高频石墨烯单元、低频石墨烯单元、石英基板、频率选择表面，高频石墨烯单元和低频石墨烯单元以阵列的形式交替排列且设在石英基板上表面，石英基板下表面为频率选择表面。
图2为圆极化喇叭天线的结构示意图，圆极化喇叭天线固定设置在反射阵列的几何中心上方，整个反射阵列的尺寸22mm×22mm×0.2mm，阵列天线的焦径比为f/D＝0.9(f表示圆极化喇叭天线馈源中心到阵面的距离，D表示阵面口径)。
如图3和图4所示，高频石墨烯单元和低频石墨烯单元周期长度都为a＝0.2m，高频石墨烯单元为十字振子，其臂长L1＝0.11mm，L2＝0.1mm，宽度W1＝0.008mm，通过调节十字振子的横纵向尺寸使沿x轴和y轴的极化电场的反射相位相差180°，其对应的频率选择表面为十字缝隙。低频石墨烯单元采用带有短截线的圆环结构，其圆半径R＝0.63mm，圆环宽度W2＝0.01mm，短截线长度L1＝0.03mm，短截线宽度W3＝0.01mm，通过调节圆环短截线的长度和宽度使沿x轴和y轴的极化电场的反射相位相差180°，其对应的频率选择表面为孔径圆环。
由于频率选择表面本身不吸收能量，能够有效控制入射波的透射和反射，因此，本发明采用选择频率表面代替传统反射阵列的金属地板，减小不同频率单元之间的耦合作用，使反射阵天线在两个频段均获得良好的圆极化特性。
高频石墨烯单元和低频石墨烯单元均按照旋转角度补偿法进行相位补偿。单元的旋转角度和所需相位补偿之间存在2倍的函数关系，阵列单元的相位补偿由反射阵天线的相位补偿公式算出，得到每个单元的相位补偿，就可以调整单元的旋转角度。
利用石墨烯代替金属作为反射阵列单元的辐射体，相比于传统的金属反射阵列，有效的提高了太赫兹频段的反射阵天线的性能，本发明取温度T＝300K，化学势μc＝0.5eV，传输弛豫时间τ＝1ps，高频f1＝1.1THz，低频f2＝0.65THz。根据Kubo公式计算出高频石墨烯单元表面电导率Zs1＝22+j117，低频石墨烯单元表面电导率为Zs2＝22+j74。
图5和图6为本发明反射阵天线的平面结构的正面图和背面图，其中高频石墨烯单元按照11*11的方式阵列排布，低频石墨烯单元按照10*10的方式阵列排布。
图7和图8分别给出了高频石墨烯单元和低频石墨烯单元沿x，y轴方向的极化电场的反射相位随频率变化的曲线。从图中可以看出，高频石墨烯单元在1.1THz附近沿x，y方向的极化电场的反射相位之差为180°左右，低频石墨烯单元在0.65THz附近沿x，y方向的极化电场的反射相位之差为180°左右。
图9和图10提供了本发明的石墨烯单元单层双频圆极化反射阵天线工作在高频(1.1THz)时，高频石墨烯单元天线沿x轴，y轴的反射幅度接近0dB，所对应的频率选择表面呈现全反射特性，相当于地板。而低频石墨烯单元的透射幅度在-1dB左右，所对应的频率选择表面呈现透射特性，所以不会对处于工作状态的高频石墨烯单元产生相互的耦合影响。同样，当石墨烯单层双频圆极化反射阵天线工作在低频(0.65THz)时，低频石墨烯单元的反射幅度接近0dB，高频石墨烯单元的透射幅度在-3dB左右，也不会影响低频石墨烯单元工作。
图11和图12分别给出了石墨烯单元单层反射阵天线在1.1THz和0.65THz的增益方向图。从图11中可以看出，天线在1.1THz的右旋圆极化最高增益达到了24.7dB左右，第一副瓣电平约为-19.2dB；从图12可以看出，天线在0.65THz的右旋圆极化最高增益达到了21.4dB左右，第一副瓣电平约为-16.3dB。因此，石墨烯单元单层双频圆极化反射阵天线在两个中心频率均实现了高增益和低副瓣。
表1示出本发明采用石墨烯单元，利用旋转单元法补偿相位和设置频率选择表面结构的单层双频圆极化反射阵天线与传统金属结构的单层双频圆极化反射阵天线(馈源、阵列单元形状、工作频率及其他物理参数均相同)的性能参数比较：
表1性能参数比较
从表格中可以看出，虽然石墨烯单元的单层双频圆极化反射阵天线的增益与传统金属结构的单层双频圆极化反射阵天线的增益十分接近。但是传统金属结构的单层双频圆极化反射阵天线较差的方向图性能说明了其互耦作用强烈，而本发明在两个中心频率处的良好的方向图性能证明了技术效果的优越性，
本发明利用利用石墨烯代替金属材料作为太赫兹反射阵天线阵列单元的辐射体，利用旋转单元补偿相位和设置频率选择表面，提高了双频单层圆极化反射阵天线的方向性能，使反射阵天线在两个频段均获得了良好的圆极化性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种采用石墨烯单元的单层双频圆极化反射阵天线，其特征在于，所述采用石墨烯单元的单层双频圆极化反射阵天线包括作为馈源的圆极化喇叭天线和由多个高低频石墨烯单元组成的反射阵列；
所述反射阵列包括3层：高频石墨烯单元、低频石墨烯单元、石英基板、频率选择表面，高频石墨烯单元和低频石墨烯单元以阵列的形式交替排列且设在石英基板上表面，石英基板下表面设置频率选择表面。
2.如权利要求1所述的采用石墨烯单元的单层双频圆极化反射阵天线，其特征在于，所述反射阵天线采用石墨烯作为反射阵列单元的辐射体。
3.如权利要求1所述的采用石墨烯单元的单层双频圆极化反射阵天线，其特征在于，所述高频石墨烯单元采用十字振子，通过调节十字振子的横纵向尺寸使沿x轴和y轴的极化电场的反射相位相差180°，所述低频石墨烯单元采用带有短截线的圆环，通过调节圆环短截线的长度和宽度使沿x轴和y轴的极化电场的反射相位相差180°。
4.如权利要求1所述的采用石墨烯单元的单层双频圆极化反射阵天线，其特征在于，所述高频石墨烯单元，低频石墨烯单元均按照旋转单元法进行相位补偿。
5.如权利要求1所述的采用石墨烯单元的单层双频圆极化反射阵天线，其特征在于，所述双频天线单元对应不同的频率选择表面；所述高频石墨烯单元对应的频率选择表面为十字缝隙，所述低频石墨烯单元对应的频率选择表面为圆环孔径。
6.如权利要求1所述的采用石墨烯单元的单层双频圆极化反射阵天线，其特征在于，所述高频石墨烯单元中心频率为1.1THz，所述低频石墨烯单元的中心频率为0.65THz。
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