CN107768812A - 波束可调的石墨烯漏波天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种波束可调的石墨烯漏波天线，可用于产生波束随外加电压偏置可调的漏波辐射，可覆盖频段主要在低太赫兹频段。2THz频率下的天线体积大小为480μm*150μm*20μm。所发明天线主要包括天线辐射单元、石墨烯电压偏置系统和金属地。该天线具有体积小、波束方向角可调、增益较高等优点。

Description

波束可调的石墨烯漏波天线

技术领域

本发明涉及石墨烯漏波天线，具体地，涉及波束可调的石墨烯漏波天线，尤其是一种石墨烯条带间距周期性变化、漏波天线波束方向随所加电压偏置改变而改变的方案。

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，作为一种具有优异晶体品质和电子性质的二维材料，石墨烯表现出独特的电子输运、光学耦合、电磁学和其他新奇的性质。在太赫兹频段天线领域，石墨烯表现出损耗较低，表面电导率随外加电场和磁场可调等优点，有巨大的应用前景。

国外在石墨烯漏波天线已有人研究，通过对现有技术检索发现期刊IEEETransactions on Terahertz Science and Technology上一月份发表的一篇关于石墨烯漏波天线的文章：Sinusoidally Modulated Graphene Leaky-Wave Antenna forElectronic beamscanning at THz。文中介绍了一种在2THz频段的波束可调的漏波天线，石墨烯条带长度宽度均一致，且条带之间没有间隙。通过给石墨烯条带加周期性的电压偏置，可实现漏波天线波束方向改变。这种漏波天线虽然可以实现波束方向可调，但是漏波天线设计需要加载不同种类的电压偏置，供电系统比较繁琐。

对于呈正弦周期性变化的电感表面，沿z方向变化的表面电感分布η_surf可表示为：

其中，j表示虚数单位，a表示调制周期，z表示坐标轴，X_s为未调制的表面阻抗值，M为归一化调制深度，M值一般大于0小于1。

而辐射方向角θ可根据计算得到，其中θ即为波束方向角，η₀为TEM波在真空中的特性阻抗，λ为波长。

当TM波沿这样的电感表面传播时，电磁波会向外辐射，传播常数和衰减系数可从下式计算出：

其中β为传播常数，α为衰减系数，k为波矢，k₀为真空下波矢，X'为X_s/η₀。

根据漏波天线原理，漏波天线电场E可根据公式计算得到，其中L为天线长度。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，利用单层石墨烯电导率随所加电压偏置变化而变化的特点，本发明设计了一种波束可调的石墨烯漏波天线，所有石墨烯条带加相同电压，可用于无线通信系统，该天线体积较小，波束随所加电压偏置可调，增益较高，可用于低太赫兹频段。

根据本发明提供的一种波束可调的石墨烯漏波天线，包括天线辐射单元、石墨烯电压偏置系统、金属地、介质基底；

天线辐射单元包括依次排列的多个石墨烯条带组；

石墨烯条带组中包括依次排列的多个单层石墨烯条带；

石墨烯电压偏置系统对单层石墨烯条带施加电压；

单层石墨烯条带平铺在介质基底上；

金属地设置在介质基底下。

优选地，单层石墨烯条带之间相互独立存在间距，且宽度相同；

多个石墨烯条带组中的单层石墨烯条带之间的间距呈周期性变化，其中，每个石墨烯条带组中的单层石墨烯条带之间的间距变化为一个周期。

优选地，介质基底的左端和右端分别接有波导馈源端口；介质基底呈长方体；金属地连接波导馈源端口。

优选地，石墨烯电压偏置系统包括外加电源、多晶硅、电极板；

外加电源的一极连接单层石墨烯条带，外加电源的另一极连接电极板；

电极板设置在介质基底上；

多晶硅设置在电极板上；

单层石墨烯条带设置在多晶硅上。

优选地，多晶硅的长度、宽度均与单层石墨烯条带一致。

优选地，各个单层石墨烯条带均与同一个外加电源的一极相连，外加电源对各个单层石墨烯条带所施加电压是一致的，以使得各个单层石墨烯条带化学势相同。

优选地，电极板的长度、宽度均与单层石墨烯条带一致。

优选地，单层石墨烯条带长度为1个波长，宽度小于10μm。

优选地，金属地是平面地结构。

优选地，天线辐射单元包括6个石墨烯条带组，每个石墨烯条带组包括8个单层石墨烯条带，这8个单层石墨烯条带之间的间距分别为0.93μm、0.5μm、0.39μm、0.5μm、0.93μm、1.72μm、2.23μm；

在相邻的两个石墨烯条带组中，一个石墨烯条带组中第8个单层石墨烯条带与另一个石墨烯条带组中第1个单层石墨烯条带之间的间距为1.72μm。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明设计了一种波束可调的石墨烯漏波天线，可用于产生波束随外加电压偏置可调的漏波辐射，可覆盖频段主要在太赫兹频段。2THz频率下的天线体积大小为480μm*150μm*20μm。所发明天线主要包括天线辐射单元、石墨烯电压偏置系统和金属地。该天线具有体积小、波束方向角可调、增益较高等优点。

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为波束可调的石墨烯漏波天线结构示意图。

图2为波束可调的石墨烯漏波天线的表面单层石墨烯条带示意图。

图3为波束可调的石墨烯漏波天线中石墨烯的电压偏置系统示意图。

图4为单层石墨烯在频率为2THz时的表面电导率与石墨烯化学势的关系图。

图5为单层石墨烯在频率为2THz时的表面阻抗与石墨烯化学势的关系图。

图6为石墨烯电压偏置系统中石墨烯化学势与所加偏置电压的关系图。

图7为石墨烯与介质基底共同的TM波阻抗与石墨烯条带间距关系图。

图8为波束可调的石墨烯漏波天线在化学势μ_c＝0.33eV，频率为2THz，Phi＝90°时的归一化方向图。

图9为波束可调的石墨烯漏波天线在化学势μ_c＝0.5eV，频率为2THz，Phi＝90°时的归一化方向图。

图10为波束可调的石墨烯漏波天线在化学势μ_c＝0.9eV，频率为2THz，Phi＝90°时的归一化方向图。

图11为波束可调的石墨烯漏波天线在化学势μ_c＝0.33eV，频率为2THz，Phi＝90°时的增益方向图。

图12为波束可调的石墨烯漏波天线在化学势μ_c＝0.5eV，频率为2THz，Phi＝90°时的增益方向图。

图13为波束可调的石墨烯漏波天线在化学势μ_c＝0.9eV，频率为2THz，Phi＝90°时的增益方向图。

图中：

1-单层石墨烯条带

2-波导馈源端口

3-介质基底

4-金属地

5-间距呈周期性分布的单层石墨烯条带

6-多晶硅

7-电极板

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。

根据本发明提供的一种波束可调的石墨烯漏波天线，包括天线辐射单元、石墨烯电压偏置系统、金属地、介质基底；天线辐射单元包括依次排列的多个石墨烯条带组；石墨烯条带组中包括依次排列的多个单层石墨烯条带；石墨烯电压偏置系统对单层石墨烯条带施加电压；单层石墨烯条带平铺在介质基底上；金属地设置在介质基底下。单层石墨烯条带之间相互独立存在间距，且宽度相同；多个石墨烯条带组中的单层石墨烯条带之间的间距呈周期性变化，其中，每个石墨烯条带组中的单层石墨烯条带之间的间距变化为一个周期。介质基底的左端和右端分别接有波导馈源端口；介质基底呈长方体；金属地连接波导馈源端口。石墨烯电压偏置系统包括外加电源、多晶硅、电极板；外加电源的一极连接单层石墨烯条带，外加电源的另一极连接电极板；电极板设置在介质基底上；多晶硅设置在电极板上；单层石墨烯条带设置在多晶硅上。多晶硅的长度、宽度均与单层石墨烯条带一致。各个单层石墨烯条带均与同一个外加电源的一极相连，外加电源对各个单层石墨烯条带所施加电压是一致的，以使得各个单层石墨烯条带化学势相同。电极板的长度、宽度均与单层石墨烯条带一致。单层石墨烯条带长度为1个波长，宽度小于10μm。介质基底为相对介电常数为3.8的SiO₂长方形介质，也可以为其他介质，只要石墨烯可以转移到其上面即可。

天线工作过程是，当TM波沿石墨烯条带向前传输中，由于石墨烯条带间距周期性变化，使TM波阻抗呈现正弦变化，从而将TM波辐射出去。然而石墨烯条带的TM波阻抗不仅与条带间距有关，也与所加电压有关。当外加电压改变时，石墨烯电导率发生改变，进而其TM波阻抗值也发生变化，从而波束方向角也发生改变。

更为具体地，根据本发明提供的波束可调的石墨烯漏波天线，可用于太赫兹频段等无线通信系统，该天线体积仅为480μm*150μm*20μm，这种大小尺寸下的漏波天线工作频率在2THz，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。在本发明优选例中，天线工作频率为2THz，共有6个依次设置的石墨烯条带组。每个石墨烯条带组中的8个石墨烯条带之间的间距依次为0.93μm、0.5μm、0.39μm、0.5μm、0.93μm、1.72μm、2.23μm和1.72μm，总共有6个这样的周期，在此间距下，TM波阻抗虚部(Ω)与化学势关系如下表所示：

根据漏波天线原理，当TM波值确定以后，带入公式计算，可以得到当石墨烯化学势分别为0.33eV,0.5eV和0.9eV时，最大辐射方向角，传播常数和衰减因子信息：

图1是石墨烯漏波天线结构图，所述波束可调的石墨烯漏波天线主要由天线辐射单元、石墨烯电压偏置系统、金属地、介质基底这几部分组成。同样由图1所示，介质基底为二氧化硅，石墨烯条带之间的间距呈正弦周期性变化，具体见图2，石墨烯条带与介质基底之间还存在一层多晶硅和一层电极板，具体见图3。天线辐射单元包括石墨烯条带。

图2是单层石墨烯条带图，石墨烯条带长度为一个波长，厚度为一个碳原子厚度。天线总长度为480μm，包括了6个周期性石墨烯条带单元，即石墨烯条带组，每个单元之间完全一样，而且每个单元又包括8个石墨烯条带，这8个石墨烯条带之间的间距分别为0.93μm、0.5μm、0.39μm、0.5μm、0.93μm、1.72μm、2.23μm；在相邻的两个石墨烯条带组中，一个石墨烯条带组中第8个单层石墨烯条带与另一个石墨烯条带组中第1个单层石墨烯条带之间的间距为1.72μm。

图3是石墨烯电压偏置系统图，其包括一层充当介质的多晶硅，分别连接电源两级的石墨烯条带和电极板。多晶硅相对介电常数为3，厚度为20nm。当石墨烯化学势分别为0.33eV，0.5eV和0.9eV时，电源需加电压分别为7.4V,15.6V和56.6V。

图4是单层石墨烯在2THz表面电导率与石墨烯化学势的关系图，其中实线代表了石墨烯表面电导率实部，虚线代表了虚部。

图5是单层石墨烯在2THz表面阻抗与石墨烯化学势的关系图，其中实线代表了石墨烯表面阻抗实部，虚线代表了虚部。

图6是石墨烯电压偏置系统中石墨烯化学势与所加偏置电压的关系图。

图7是石墨烯条带与介质基底共同的TM波阻抗与石墨烯条带间距的关系图，其中实线代表化学势为0.33eV,虚线代表化学势为0.5eV，点划线代表化学势为0.9eV。

图8是波束可调的石墨烯漏波天线在石墨烯化学势为0.33eV时的归一化方向图。

图9是波束可调的石墨烯漏波天线在石墨烯化学势为0.5eV时的归一化方向图。

图10是波束可调的石墨烯漏波天线在石墨烯化学势为0.9eV时的归一化方向图。

图11是波束可调的石墨烯漏波天线在石墨烯化学势为0.33eV时的增益化方向图。

图12是波束可调的石墨烯漏波天线在石墨烯化学势为0.5eV时的增益化方向图。

图13是波束可调的石墨烯漏波天线在石墨烯化学势为0.9eV时的增益化方向图。

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)

1.一种波束可调的石墨烯漏波天线，其特征在于，包括天线辐射单元、石墨烯电压偏置系统、金属地、介质基底；

天线辐射单元包括依次排列的多个石墨烯条带组；

石墨烯条带组中包括依次排列的多个单层石墨烯条带；

石墨烯电压偏置系统对单层石墨烯条带施加电压；

单层石墨烯条带平铺在介质基底上；

金属地设置在介质基底下。

2.根据权利要求1所述的波束可调的石墨烯漏波天线，其特征在于，单层石墨烯条带之间相互独立存在间距，且宽度相同；

多个石墨烯条带组中的单层石墨烯条带之间的间距呈周期性变化，其中，每个石墨烯条带组中的单层石墨烯条带之间的间距变化为一个周期。

3.根据权利要求1所述的波束可调的石墨烯漏波天线，其特征在于，介质基底的左端和右端分别接有波导馈源端口；介质基底呈长方体；金属地连接波导馈源端口。

4.根据权利要求1所述的波束可调的石墨烯漏波天线，其特征在于，石墨烯电压偏置系统包括外加电源、多晶硅、电极板；

外加电源的一极连接单层石墨烯条带，外加电源的另一极连接电极板；

电极板设置在介质基底上；

多晶硅设置在电极板上；

单层石墨烯条带设置在多晶硅上。

5.根据权利要求4所述的波束可调的石墨烯漏波天线，其特征在于，多晶硅的长度、宽度均与单层石墨烯条带一致。

6.根据权利要求4所述的波束可调的石墨烯漏波天线，其特征在于，各个单层石墨烯条带均与同一个外加电源的一极相连，外加电源对各个单层石墨烯条带所施加电压是一致的，以使得各个单层石墨烯条带化学势相同。

7.根据权利要求4所述的波束可调的石墨烯漏波天线，其特征在于，电极板的长度、宽度均与单层石墨烯条带一致。

8.根据权利要求1所述的波束可调的石墨烯漏波天线，其特征在于，单层石墨烯条带长度为1个波长，宽度小于10μm。

9.根据权利要求1所述的波束可调的石墨烯漏波天线，其特征在于，金属地是平面地结构。

10.根据权利要求1所述的波束可调的石墨烯漏波天线，其特征在于，

天线辐射单元包括6个石墨烯条带组，每个石墨烯条带组包括8个单层石墨烯条带，这8个单层石墨烯条带之间的间距分别为0.93μm、0.5μm、0.39μm、0.5μm、0.93μm、1.72μm、2.23μm；

在相邻的两个石墨烯条带组中，一个石墨烯条带组中第8个单层石墨烯条带与另一个石墨烯条带组中第1个单层石墨烯条带之间的间距为1.72μm。