CN107819202A - 基于石墨烯的波束扫描反射天线阵列及波束扫描方法 - Google Patents

基于石墨烯的波束扫描反射天线阵列及波束扫描方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107819202A
CN107819202A CN201710938346.XA CN201710938346A CN107819202A CN 107819202 A CN107819202 A CN 107819202A CN 201710938346 A CN201710938346 A CN 201710938346A CN 107819202 A CN107819202 A CN 107819202A
Authority
CN
China
Prior art keywords
graphene
antenna array
reflecting antenna
reflex
reflector element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201710938346.XA
Other languages
English (en)
Inventor
姚远
殷越
俞俊生
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing University of Posts and Telecommunications
Original Assignee
Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing University of Posts and Telecommunications filed Critical Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority to CN201710938346.XA priority Critical patent/CN107819202A/zh
Publication of CN107819202A publication Critical patent/CN107819202A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/48—Earthing means; Earth screens; Counterpoises
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/14—Reflecting surfaces; Equivalent structures
    • H01Q15/145—Reflecting surfaces; Equivalent structures comprising a plurality of reflecting particles, e.g. radar chaff
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/14—Reflecting surfaces; Equivalent structures
    • H01Q15/148—Reflecting surfaces; Equivalent structures with means for varying the reflecting properties
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/061—Two dimensional planar arrays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/44—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the electric or magnetic characteristics of reflecting, refracting, or diffracting devices associated with the radiating element
    • H01Q3/46—Active lenses or reflecting arrays

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Aerials With Secondary Devices (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

本发明实施例提供了基于石墨烯的波束扫描反射天线阵列及波束扫描方法，该反射天线阵列包括：多个石墨烯反射块、介质基底层及接地金属板；每个石墨烯反射块包括多个石墨烯反射单元，石墨烯反射单元位于介质基底层的上表面；同一石墨烯反射块中，相邻的石墨烯反射单元间相互连接；多个石墨烯反射块之间链型连接为多条石墨烯反射块链路；其中，石墨烯反射单元为微米级反射单元；接地金属板位于介质基底层的下表面。石墨烯反射单元为微米级反射单元，能够实现太赫兹频段的波束扫描，能实现反射天线阵列的小型化。

Description

基于石墨烯的波束扫描反射天线阵列及波束扫描方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及基于石墨烯的波束扫描反射天线阵列及波束扫描方法。
背景技术
波束扫描在无线和传感系统(包括卫星通信和雷达)有着广泛的应用。传统的口径天线，通过使用机械扫描实现自适应扫描，但其扫描速度受到机械电机转动速率的限制，因而扫描速度慢。相控阵天线阵列允许以电子灵活性实时重新配置和扫描波束图案，但是相控阵天线的馈电网络复杂度高且能耗高，导致实施成本高。与上述天线相比，平面反射阵列天线具有波束扫描方便，辐射效率高等优点。
现有的平面反射阵列天线，反射单元为变容二极管、PIN二极管开关或MEMS(MicroElectro Mechanical Systems，微电子机械系统)开关等离散元件，通过改变单元谐振尺寸实现反射相位的改变，再通过合理的组阵规则，实现单元间的相位差动态可调，从而实现波束扫描。然而，随着波束频率的升高，离散元件的尺寸也需要相应减小，现有的平面反射阵列天线无法对频率高(如太赫兹频段)的波束进行扫描。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种基于石墨烯的波束扫描反射天线阵列及波束扫描方法，以实现对频率高的波束进行扫描。具体技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种基于石墨烯的波束扫描反射天线阵列，所述反射天线阵列包括：
多个石墨烯反射块(101)、介质基底层(102)及接地金属板(103)；
每个所述石墨烯反射块(101)包括多个石墨烯反射单元(1011)，所述石墨烯反射单元(1011)位于所述介质基底层(102)的上表面；同一所述石墨烯反射块(101)中，相邻的所述石墨烯反射单元(1011)间相互连接；多个所述石墨烯反射块(101)之间链型连接为多条石墨烯反射块链路；其中，所述石墨烯反射单元(1011)为微米级反射单元；
所述接地金属板(103)位于所述介质基底层(102)的下表面。
可选的，所述反射天线阵列还包括：
多个电极(104)；
多个所述电极(104)包括正电极和负电极，其中，所述正电极的数量和与所述石墨烯反射块链路的数量相同，所述正电极和所述负电极分别与所述石墨烯反射块链路的两端电连接。
可选的，每个所述正电极仅与一条所述石墨烯反射块链路的一端电连接，所述石墨烯反射块链路的另一端与所述负电极电连接。
可选的，所述正电极和所述负电极均为铜电极，厚度均为5微米。
可选的，所述介质基底层(102)由聚对苯二甲酸乙二醇酯材料制成，所述接地金属板(103)为铜板。
可选的，所述介质基底层(102)的厚度为125微米，所述接地金属板(103)的厚度为5微米。
可选的，所述石墨烯反射单元(1011)中心为石墨烯正方形结构，所述石墨烯正方形结构每条边的中心连接一个石墨烯矩形拼接块。
可选的，所述石墨烯正方形结构的边长为50微米，所述石墨烯矩形拼接块与所述石墨烯正方形结构连接的第一边的边长为10微米，与所述第一边相邻的第二边的边长为5微米。
第二方面，本发明实施例提供了一种波束扫描的方法，应用于上述第一方面任一种基于石墨烯的波束扫描反射天线阵列，所述方法包括：
获取波束扫描的扫描角；
通过预设的相位差算法，确定所述扫描角对应的列相位差，其中，所述列相位差为相邻石墨烯反射块链路间的补偿相位的相位差；
根据所述列相位差，确定每条所述石墨烯反射块链路的补偿相位；
获取预设的第一映射关系，其中，所述第一映射关系为预先测得的所述石墨烯反射块链路的馈电电压与补偿相位的映射关系；
根据每条所述石墨烯反射块链路的补偿相位，查找所述第一映射关系，确定每条所述石墨烯反射块链路的馈电电压，并为每条所述石墨烯反射块链路添加相应的馈电电压。
可选的，所述通过预设的相位差算法，确定所述扫描角对应的列相位差，包括：
根据计算偏转反射波束角θr，其中，θr'为所述扫描角，a为所述石墨烯反射块中除所述石墨烯反射单元外的面积，b为所述石墨烯反射块中所述石墨烯反射单元的面积；
根据计算所述列相位差ΔΦ，其中，λ0为反射波束的波长，d为相位补偿距离。
可选的，在所述波束扫描的方法中使用的波束的频率为1.095THz。
本发明实施例提供的基于石墨烯的波束扫描反射天线阵列及波束扫描方法，包括：多个石墨烯反射块、介质基底层及接地金属板；所述石墨烯反射块包括多个石墨烯反射单元，所述石墨烯反射单元位于所述介质基底层的上表面；同一所述石墨烯反射块中，相邻的所述石墨烯反射单元间相互连接；多个所述石墨烯反射块之间链型连接为多条石墨烯反射块链路；其中，所述石墨烯反射单元为微米级反射单元；所述接地金属板的上表面位于所述介质基底层的下表面上。用石墨烯材料作为反射单元，反射单元的大小能够达到微米级，可以实现对频率高的波束进行扫描。当然，实施本发明的任一产品或方法必不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
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为本发明实施例的基于石墨烯的波束扫描反射天线阵列的主视图；
图2a为本发明实施例的基于石墨烯的波束扫描反射天线阵列的石墨烯反射单元的第一种示意图；
图2b为本发明实施例的基于石墨烯的波束扫描反射天线阵列的石墨烯反射单元的第二种示意图；
图2c为本发明实施例的基于石墨烯的波束扫描反射天线阵列的石墨烯反射单元的第三种示意图；
图3为本发明实施例的基于石墨烯的波束扫描反射天线阵列的石墨烯反射块的示意图；
图4为本发明实施例的基于石墨烯的波束扫描反射天线阵列的一种俯视图；
图5为本发明实施例的基于石墨烯的波束扫描反射天线阵列的另一种俯视图；
图6为本发明实施例的基于石墨烯的波束扫描反射天线阵列的馈电示意图；
图7为本发明实施例的波束扫描方法的流程示意图；
图8为本发明实施例的反射波束的一种示意图；
图9为本发明实施例的反射波束的另一种示意图；
图10a为本发明实施例的不同馈电电压下波束的频率与反射系数幅值的曲线图；
图10b为本发明实施例的不同馈电电压下波束的频率与反射系数相位的曲线图；
图11为本发明实施例的波束为1.095THz时，不同馈电电压下反射系数的幅值与相位的曲线图；
图12为本发明实施例的不同列相位差的反射波束的扫描角度的示意图。
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。
平面反射天线阵列通过对放射单元的反射幅度和相位进行设计，合理组合成阵列，可以实现辐射效率高的波束扫描。现有的平面反射阵列天线，反射单元为变容二极管、PIN二极管开关或MEMS开关等离散元件。然而，随着波束频率的升高，离散元件的尺寸也需要相应减小，现有的平面反射阵列天线中的离散元件的尺寸已经不能满足高频率的波束扫描。并且，上述离散元件带来的损耗也不容忽视，例如性能较好的MEMS开关插入损耗约为0.4dB。
发明人在研究过程中发现，石墨烯作为天然的二维材料，具有出色的电压可调的电特性，可以使用石墨烯材料作为反射单元，通过垂直偏置电场来有效地控制石墨烯的阻抗，以提供动态调谐，从而控制反射天线阵列中每个反射单元处反射场的相位。并且，由于基于石墨烯的等离子体激元模式的慢波传播，反射单元尺寸以及发射单元间的距离能够设置的更小，因此可以实现高频率段，如太赫兹频段，的波束扫描，提高了阵列性能。
本发明实施例提供了一种基于石墨烯的波束扫描反射天线阵列，参见图1，该反射天线阵列包括：
多个石墨烯反射块(101)、介质基底层(102)及接地金属板(103)；
每个石墨烯反射块(101)包括多个石墨烯反射单元(1011)，石墨烯反射单元(1011)位于介质基底层(102)的上表面；同一石墨烯反射块(101)中，相邻的石墨烯反射单元(1011)间相互连接；多个石墨烯反射块(101)之间链型连接为多条石墨烯反射块链路；其中，石墨烯反射单元(1011)为微米级反射单元；
接地金属板(103)位于介质基底层(102)的下表面。
本发明实施例中的石墨烯的波束扫描反射天线阵列包括第一预设数量的石墨烯反射块(101)，每个石墨烯反射块(101)包括第二预设数量的石墨烯反射单元(1011)。图1中石墨烯反射块(101)及石墨烯反射单元(1011)的数量及排列方式仅为示意。第一预设数量为任意的数量，如2、3、4或更大。第二预设数量为任意的数量，如2、3、4或更大。
石墨烯反射单元(1011)是由石墨烯材料制成的预设形状的反射单元，预设形状为任意几何形状，例如，如图2a-图2c所示意的形状，当然预设形状还可以为如圆形、正方形、菱形、正六边形或正八边形等。石墨烯反射单元(1011)为微米级反射单元，能够实现高频率频段(如太赫兹频段)的波束扫描，能实现反射天线阵列的小型化。
第二预设数量的石墨烯反射单元(1011)在介质基底层(102)的上表面上，按照预设的排列规则，相邻的石墨烯反射单元(1011)间相互拼接，组合成一个石墨烯反射块(101)。例如，第二预设数量的石墨烯反射单元(1011)组成一个矩形的石墨烯反射块(101)；或第二预设数量的石墨烯反射单元(1011)组成一个正六边形的石墨烯反射块(101)；或第二预设数量的石墨烯反射单元(1011)组成一个圆形的石墨烯反射块(101)等。
每条石墨烯反射块链路由多个石墨烯反射块(101)串联而成，每条石墨烯反射块链路中石墨烯反射块(101)的数量可以更具实际情况自行设定，例如为2、3、4或更大。在每条石墨烯反射块链路的两端施加电压，以实现波束扫描。
介质基底层(102)应当具有良好的物理机械性能，以便适应各种应用环境。同时介质基底层(102)还应具有良好的电绝缘性，以保证不会影响石墨烯反射块链路中的电流。
在本发明实施例中，用石墨烯材料作为反射单元，石墨烯反射单元的大小能够达到微米级，可以实现对频率高的波束(如太赫兹频段的波束)进行扫描。并且石墨烯反射单元具有良好的电学性能，能够减少波束扫描过程中的损耗。可调电磁材料石墨烯作为反射单元的反射天线阵列，能够结合口径天线和相控阵列的最佳特征，更易于实现波束扫描。
可选的，介质基底层(102)由聚对苯二甲酸乙二醇酯材料制成，接地金属板(103)为铜板。
聚对苯二甲酸乙二醇酯材料为优良的电绝缘性材料，具有良好的力学性能，耐冲击、耐折性好，且具有优良的耐高、低温性能。采用聚对苯二甲酸乙二醇酯材料制作介质基底层(102)，介质基底层(102)物理机械性能好，能够适应各种应用环境，如宇宙环境等。铜板物理机械性能良好，造价低廉，适用于多种应用环境，可以对接地金属板(103)进行接地处理(零电势处理)能够减少反射天线阵列下表面反射的电磁波，对石墨烯反射单元(1011)反射的电磁波的干扰。
可选的，介质基底层(102)的厚度为125微米，接地金属板(103)的厚度为5微米。
在本发明实施例中，介质基底层(102)的厚度为125微米，方便折叠，同时还能够抵御冲击，能够适用于多种应用环境；接地金属板(103)的厚度为5微米，质量轻便，能够适用于多种应用环境。
可选的，石墨烯反射单元(1011)中心为石墨烯正方形结构，石墨烯正方形结构每条边的中心连接一个石墨烯矩形拼接块。
本发明实施例中的石墨烯反射单元(1011)结构可以设置为图2a所示，中心为石墨烯正方形结构，整体反射面积大。石墨烯正方形结构每条边的中心连接一个石墨烯矩形拼接块，方便相邻的石墨烯反射单元(1011)间相互拼接。石墨烯反射单元(1011)大小可以根据实际需要扫描的波束的频率进行设定，本发明实施例中石墨烯反射单元(1011)大小设置为微米级。
可选的，石墨烯正方形结构的边长为50微米，石墨烯矩形拼接块与石墨烯正方形结构连接的第一边的边长为10微米，与第一边相邻的第二边的边长为5微米。
如图2a所示石墨烯正方形结构的边长W3为50微米，石墨烯矩形拼接块与石墨烯正方形结构连接的第一边的边长L3为10微米，与第一边相邻的第二边的边长W2为5微米，整个石墨烯反射单元(1011)的长度L4为60微米。石墨烯反射单元的大小为微米级，可以实现对频率高的波束进行扫描。
可选的，石墨烯反射块(101)为由16个石墨烯反射单元(1011)拼接成的正方形。如图3所示，4个石墨烯反射单元(1011)拼接成一行，4行拼接成一个石墨烯反射块(101)。
相应的，本发明实施例的基于石墨烯的波束扫描反射天线阵列的俯视图可以如图4所示，4个石墨烯反射块(101)通过石墨烯串联成一条石墨烯反射块链路，串联石墨烯反射块(101)的石墨烯为长度L1＝80微米，宽度W1为10微米的矩形，反射天线阵列的为长度L2＝1200微米的正方形。
需要说明的是，本发明实施例中石墨烯反射块(101)及石墨烯反射块链路的数量均为示意，在实际生产及应用的过程中，可以根据实际情况设置每条石墨烯反射块链路中石墨烯反射块(101)的数量，如设置为2、3、4、5、6或更大。石墨烯反射块链路的数量也可以根据实际情况进行设定，如设置为2、3、4、5、6或更大。在实际生产及应用的过程中，为了增加反射面积，可以不设置串联石墨烯反射块(101)的石墨烯矩形，将各石墨烯反射块(101)直接拼接，如图5所示。
在本发明实施例中，将反射天线阵列设置为图4所示，方便计算波束扫描时的扫描角。
可选的，如图6所示，上述反射天线阵列还包括：
多个电极(104)；
多个电极(104)包括正电极和负电极，其中，正电极的数量和与石墨烯反射块链路的数量相同，正电极和负电极分别与石墨烯反射块链路的两端电连接。
在本发明实施例中，石墨烯反射块链路的两端分别与正电极和负电极电连接，方便通过正电极和负电极为石墨烯反射块链路外加馈电电压。
可选的，每个正电极仅与一条石墨烯反射块链路的一端电连接，石墨烯反射块链路的另一端与负电极电连接。
每个正电极仅与一条石墨烯反射块链路电连接，保证了能够为各石墨烯反射块链路添加不同的馈电电压。
可选的，正电极和负电极均为铜电极，厚度均为5微米。
参见图6，图6为本发明实施例的基于石墨烯的波束扫描反射天线阵列的馈电示意图，将反射天线阵列设置在耐燃材料(105)上，耐燃材料(105)可以为FR-4类材料，厚度可以为1毫米。为了馈电过程中不产生漏电现象，因此采用加顶栅电压的馈电方法，即分别在每条石墨烯的反射链路上面涂一层离子凝胶，离子凝胶的下表面引出金线，连接到正电极，在离子凝胶的上表面引出金线连接到负电极。馈电过程中，分别通过电极(104)为每条石墨烯反射块链路外加相应的馈电电压。
参见图7，本发明实施例提供了一种波束扫描的方法，应用于上述基于石墨烯的波束扫描反射天线阵列，该波束扫描方法包括：
S701，获取波束扫描的扫描角。
S702，通过预设的相位差算法，确定扫描角对应的列相位差，其中，列相位差为相邻石墨烯反射块链路间的补偿相位的相位差。
S703，根据列相位差，确定每条石墨烯反射块链路的补偿相位。
在确定每条石墨烯反射块链路的补偿相位时，还可以参照预设的第二映射关系，使得各补偿相位对应的反射系数的幅值尽量接近，且尽量大。不同馈电电压下的反射波束的反射系数的幅值的尽量接近，各反射波束叠加后的相位更加接近理论值，波束扫描的角度更加准确；且幅值尽量大反射波束的反射率高，波束扫描的能量利用率高，防止反射波束过度衰减。其中，第二映射关系为预先测得的补偿相位与反射系数的幅值的映射关系。
S704，获取预设的第一映射关系，其中，第一映射关系为预先测得的石墨烯反射块链路的馈电电压与补偿相位的映射关系。
S705，根据每条石墨烯反射块链路的补偿相位，查找第一映射关系，确定每条石墨烯反射块链路的馈电电压，并为每条石墨烯反射块链路添加相应的馈电电压。
在本发明实施例中，给出了基于石墨烯的波束扫描反射天线阵列的波束扫描方法，通过设置每条石墨烯反射块链路两端的电压，实现要求的扫描角的度数的波束扫描，波束扫描方法简单，波束扫描效率高，并且能实现反射天线阵列的小型化。
可选的，通过预设的相位差算法，确定扫描角对应的列相位差，包括：
步骤一，根据计算偏转反射波束角θr，其中，θr'为扫描角，a为反射天线阵列中除石墨烯反射单元外的面积，b为反射天线阵列中石墨烯反射单元的面积。
步骤二，根据计算列相位差ΔΦ，其中，λ0为反射波束的波长，d为相位补偿距离。
平面波打到反射天线阵列上，一部分直接反射，即图8中一部分由于相位补偿发生偏转，即图8中的偏转角度为θr，即偏转反射波束角。与相互叠加成最后反射的波束，如图9所示，波束偏转的角度为θr'，即扫描角。
偏转反射波束角
其中，ΔΦ为列相位差，λ0为反射波束的波长，d为相位补偿距离。列相位差为相邻石墨烯反射块链路间的补偿相位的相位差，ΔΦ可以通过石墨烯反射块链路两端添加的电压进行控制。
为了介绍相位补偿距离，先需要介绍空间相位延迟差ΔS，ΔS是任意反射单元和中心反射单元两者到馈源的距离之差。ΔS为波束中心频率波长的几倍，可以表示为ΔS＝(N+d)λ0，这里的N为整数部分，d为小数部分，λ0为自由空间波束中心频率的波长。不同位置的反射单元，N和d的值会有所不同，为了保证反射波束在反射天线阵列口径面上具有相同的相位，只需对小数部分d进行相位补偿，即将d作为相位补偿距离。
在得到偏转反射波束角θr后，便可以确定扫描角θr'。如图9所示，其中，叠加后的反射波束可以为：因此，
相应的，根据上述公式(1)和(2)，可以根据扫描角θr'，相应的求得列相位差ΔΦ。
在本发明实施例中，给出了根据扫描角计算列相位差的具体方法，计算方法简单，为后续根据列相位差确定馈电电压提供了前提。
可选的，在上述波束扫描的方法中使用的波束的频率为1.095THz。
利用石墨烯的压控特性，将石墨烯的化学势设置在0eV～1eV之间，在石墨烯反射块链路两端的添加相应的馈电电压。
假设石墨烯没有化学掺杂，石墨烯的载流子浓度为ns，
CoxVDC＝qens (3)
其中，VDC为外加偏置电压，COX为栅电容，ε0为真空介电常数，εr为石墨烯的相对介电常数，t为石墨烯厚度，qe为元电荷的电荷量。
忽略量子理论，假设一个相对厚的栅氧化层，其载流子密度与石墨烯的关系如下：
其中，∈指能量，为约化普朗克常数，vf为费米速度，在石墨烯里为106m/s，fd指费米分布，
其中，KB为玻尔兹曼常量，T为温度，μc为化学势。
通过公式(3)至(6)，计算各化学势对应的馈电电压。
反射波束的反射系数的幅值和相位如图10a和图10b所示。在反射天线阵列中，反射波束的反射系数的幅值不能差别太大，且反射率要尽可能的达到70％以上；在保证反射系数的相位变化的同时，要选择反射系数幅值接近的频点。由图10a可以看出，在1.095THz处，各馈电电压对应的反射系数的幅值差别较小；且在1.095THz处时，各馈电电压对应的反射系数的相位存在一定差值。因此选择在1.095THz频点实现波束扫描。石墨烯反射单元在不同馈电电压下，补偿相位在0°到360°间变化。在波束频率为1.095THz时，不同外加馈电电压对应的反射系数的相位和幅值如图11所示。
在本发明实施例中，将波束的频率设置为1.095THz，在基于石墨烯的波束扫描反射天线阵列中，不同馈电电压下的反射波束的反射系数的幅值的差值小，各反射波束叠加后的相位更加接近理论值，波束扫描的角度更加准确；且反射波束的反射率高，波束扫描的能量利用率高；不同馈电电压下的反射系数的相位存在一定差值，能够达到多种列相位差的要求。
下面对本发明实施例中的波束扫描方法进行具体验证。令反射天线阵列如图4所示，且L1＝80微米，L2＝1200微米，令石墨烯反射单元如图2a所示，且W3＝50微米，L3＝10微米，W2＝5微米，L4＝60微米。通过图6所示的馈电示意图，对反射天线阵列中各石墨烯反射块链路添加馈电电压。令反射天线阵列如图4所示，且L1＝80微米，L2＝1200微米时，a＝(50×4)2×16＝640000um2，b＝12002-640000＝800000um2。
当时，将上述参数代入公式(1)及公式(2)可以求出θr'＝8.64°；同理当时，可以求出θr'＝13.29°。
通过电极，为每条石墨烯反射块链路设置馈电电压，并以平面波正入射。首先，在各馈电电压为0的情况下，进行波束扫描，并获取反射波束。其次，分别设置每一条石墨烯反射块链路的电压为0.21eV、0.32eV、0.55eV及0.93eV对应的电压，此时列相位差为60°，进行波束扫描。然后，分别设置每一条石墨烯反射块链路的电压为0.16eV、0.34eV、0.76eV及1.3eV对应的电压，此时列相位差为90°，再次进行波束扫描，结果如图12。
由图12可以得出，当列相位差为60°时，波束偏移的角度，即扫描角为8°，与理论计算值相一致。当列相位差为90°时，扫描角为13°，与理论计算结果一致。因此，本发明实施例所提供的基于石墨烯的反射阵列可以通过改变外加馈电电压，易实现波束扫描，并且能实现小型化。
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 (10)

1.一种基于石墨烯的波束扫描反射天线阵列，其特征在于，所述反射天线阵列包括：
多个石墨烯反射块(101)、介质基底层(102)及接地金属板(103)；
每个所述石墨烯反射块(101)包括多个石墨烯反射单元(1011)，所述石墨烯反射单元(1011)位于所述介质基底层(102)的上表面；同一所述石墨烯反射块(101)中，相邻的所述石墨烯反射单元(1011)间相互连接；多个所述石墨烯反射块(101)之间链型连接为多条石墨烯反射块链路；其中，所述石墨烯反射单元(1011)为微米级反射单元；
所述接地金属板(103)位于所述介质基底层(102)的下表面。
2.根据权利要求1所述的反射天线阵列，其特征在于，所述反射天线阵列还包括：
多个电极(104)；
多个所述电极(104)包括正电极和负电极，其中，所述正电极的数量和与所述石墨烯反射块链路的数量相同，所述正电极和所述负电极分别与所述石墨烯反射块链路的两端电连接。
3.根据权利要求2所述的反射天线阵列，其特征在于，每个所述正电极仅与一条所述石墨烯反射块链路的一端电连接，所述石墨烯反射块链路的另一端与所述负电极电连接。
4.根据权利要求3所述的反射天线阵列，其特征在于，所述正电极和所述负电极均为铜电极，厚度均为5微米。
5.根据权利要求1所述的反射天线阵列，其特征在于，所述介质基底层(102)由聚对苯二甲酸乙二醇酯材料制成，所述接地金属板(103)为铜板。
6.根据权利要求5所述的反射天线阵列，其特征在于，所述介质基底层(102)的厚度为125微米，所述接地金属板(103)的厚度为5微米。
7.根据权利要求1所述的反射天线阵列，其特征在于，所述石墨烯反射单元(1011)中心为石墨烯正方形结构，所述石墨烯正方形结构每条边的中心连接一个石墨烯矩形拼接块。
8.根据权利要求7所述的反射天线阵列，其特征在于，所述石墨烯正方形结构的边长为50微米，所述石墨烯矩形拼接块与所述石墨烯正方形结构连接的第一边的边长为10微米，与所述第一边相邻的第二边的边长为5微米。
9.一种波束扫描的方法，其特征在于，应用于权利要求1-8中任一所述的基于石墨烯的波束扫描反射天线阵列，所述方法包括：
获取波束扫描的扫描角；
通过预设的相位差算法，确定所述扫描角对应的列相位差，其中，所述列相位差为相邻石墨烯反射块链路间的补偿相位的相位差；
根据所述列相位差，确定每条所述石墨烯反射块链路的补偿相位；
获取预设的第一映射关系，其中，所述第一映射关系为预先测得的所述石墨烯反射块链路的馈电电压与补偿相位的映射关系；
根据每条所述石墨烯反射块链路的补偿相位，查找所述第一映射关系，确定每条所述石墨烯反射块链路的馈电电压，并为每条所述石墨烯反射块链路添加相应的馈电电压。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述通过预设的相位差算法，确定所述扫描角对应的列相位差，包括：
根据计算偏转反射波束角θr，其中，θr'为所述扫描角，a为所述反射天线阵列中除所述石墨烯反射单元外的面积，b为所述反射天线阵列中所述石墨烯反射单元的面积；
根据计算所述列相位差ΔΦ，其中，λ0为反射波束的波长，d为相位补偿距离。
CN201710938346.XA 2017-09-30 2017-09-30 基于石墨烯的波束扫描反射天线阵列及波束扫描方法 Pending CN107819202A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710938346.XA CN107819202A (zh) 2017-09-30 2017-09-30 基于石墨烯的波束扫描反射天线阵列及波束扫描方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710938346.XA CN107819202A (zh) 2017-09-30 2017-09-30 基于石墨烯的波束扫描反射天线阵列及波束扫描方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN107819202A true CN107819202A (zh) 2018-03-20

Family

ID=61608037

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710938346.XA Pending CN107819202A (zh) 2017-09-30 2017-09-30 基于石墨烯的波束扫描反射天线阵列及波束扫描方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107819202A (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109586039A (zh) * 2018-12-08 2019-04-05 中国人民解放军国防科技大学 一种吸/透特性石墨烯频选复合超材料周期结构及天线罩
CN111883932A (zh) * 2020-08-10 2020-11-03 西安电子科技大学 基于人工表面等离激元的低雷达散射截面反射阵天线
CN113067167A (zh) * 2020-01-02 2021-07-02 中国移动通信集团设计院有限公司 基于石墨烯的波束扫描微带天线及其制备方法和扫描方法
CN113745788A (zh) * 2021-09-06 2021-12-03 合肥工业大学 一种动力学电感微带延迟线及制备方法
US20220059943A1 (en) * 2020-08-18 2022-02-24 Samsung Electronics Co., Ltd. Multi-layer reconfigurable surface for an antenna
WO2022211035A1 (ja) * 2021-03-31 2022-10-06 株式会社ジャパンディスプレイ 電波反射板

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102938504A (zh) * 2012-11-26 2013-02-20 东南大学 一种波控系统简单的单板微带缝隙相控阵天线
CN104779442A (zh) * 2015-04-24 2015-07-15 电子科技大学 一种电控波束扫描反射阵天线及其波束扫描方法
CN105742795A (zh) * 2016-04-06 2016-07-06 东南大学 一种采用石墨烯单元的透明反射阵天线
CN106129543A (zh) * 2016-08-17 2016-11-16 桂林电子科技大学 一种基于石墨烯dc接触的双功能极化转换器

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102938504A (zh) * 2012-11-26 2013-02-20 东南大学 一种波控系统简单的单板微带缝隙相控阵天线
CN104779442A (zh) * 2015-04-24 2015-07-15 电子科技大学 一种电控波束扫描反射阵天线及其波束扫描方法
CN105742795A (zh) * 2016-04-06 2016-07-06 东南大学 一种采用石墨烯单元的透明反射阵天线
CN106129543A (zh) * 2016-08-17 2016-11-16 桂林电子科技大学 一种基于石墨烯dc接触的双功能极化转换器

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JULIEN PERRUISSEAU-CARRIER等: "《Periodic and quasi-periodic graphene-based reconfigurable surfaces》", 《2013 INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON ELECTROMAGNETIC THEORY》 *
PAYAM NAYERI等: "《Beam-Scanning Reflectarray Antennas: A technical overview and state of the art》", 《IEEE ANTENNAS AND PROPAGATION MAGAZINE》 *
XIANJUN HUANG等: "《Graphene array based beam-scanning terahertz antenna》", 《 2015 IEEE 4TH ASIA-PACIFIC CONFERENCE ON ANTENNAS AND PROPAGATION (APCAP)》 *
XIAOBING LI等: "《Dual-beam scanning using graphene-based reflectarray》", 《 2015 ASIA-PACIFIC MICROWAVE CONFERENCE (APMC)》 *
ZHUANG CHANG等: "《A Reconfigurable Graphene Reflectarray for Generation of Vortex THz Waves》", 《 IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS》 *

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109586039A (zh) * 2018-12-08 2019-04-05 中国人民解放军国防科技大学 一种吸/透特性石墨烯频选复合超材料周期结构及天线罩
CN109586039B (zh) * 2018-12-08 2020-10-27 中国人民解放军国防科技大学 一种吸/透特性石墨烯频选复合超材料周期结构及天线罩
CN113067167A (zh) * 2020-01-02 2021-07-02 中国移动通信集团设计院有限公司 基于石墨烯的波束扫描微带天线及其制备方法和扫描方法
CN113067167B (zh) * 2020-01-02 2022-07-01 中国移动通信集团设计院有限公司 基于石墨烯的波束扫描微带天线及其制备方法和扫描方法
CN111883932A (zh) * 2020-08-10 2020-11-03 西安电子科技大学 基于人工表面等离激元的低雷达散射截面反射阵天线
US20220059943A1 (en) * 2020-08-18 2022-02-24 Samsung Electronics Co., Ltd. Multi-layer reconfigurable surface for an antenna
US11843171B2 (en) * 2020-08-18 2023-12-12 Samsung Electronics Co., Ltd. Multi-layer reconfigurable surface for an antenna
WO2022211035A1 (ja) * 2021-03-31 2022-10-06 株式会社ジャパンディスプレイ 電波反射板
CN113745788A (zh) * 2021-09-06 2021-12-03 合肥工业大学 一种动力学电感微带延迟线及制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107819202A (zh) 基于石墨烯的波束扫描反射天线阵列及波束扫描方法
US11837802B2 (en) Liquid crystal antenna unit and liquid crystal phased array antenna
CN106532200B (zh) 一种基于石墨烯电极的反射式液晶移相单元
US6552696B1 (en) Electronically tunable reflector
US7173565B2 (en) Tunable frequency selective surface
CN108539331B (zh) 基于液晶的太赫兹开槽移相单元及其构成的相控阵天线
CN107078404A (zh) 用于信号的三极化天线元件
US8289220B2 (en) Radio communication system, periodic structure reflector plate, and tapered mushroom structure
US20070257853A1 (en) Tunable Arrangements
CN106961008A (zh) 天线结构及其驱动方法和天线系统
EP3609018A1 (en) Radio frequency phase shifting device and method of operation for this phase shifting device
JP4466389B2 (ja) アレーアンテナ
US10833392B1 (en) Reconfigurable foldable and/or origami passive arrays
US10862182B2 (en) RF phase shifter comprising a differential transmission line having overlapping sections with tunable dielectric material for phase shifting signals
CN113728512B (zh) 移相器及天线
EP2980922A1 (en) Surface-wave waveguide with conductive sidewalls and application in antennas
CN109193081B (zh) 射频移相装置
CN109149117A (zh) 一种复合左右手漏波天线
US6774745B2 (en) Activation layer controlled variable impedance transmission line
CN112310639A (zh) 包括液晶的平板天线
Li et al. Design and numerical demonstration of a 2D millimeter-wave beam-scanning reflectarray based on liquid crystals and a static driving technique
US10938109B2 (en) Foldable and reconfigurable antennas, arrays and frequency selective surfaces with rigid panels
Li et al. Development of beam steerable reflectarray with liquid crystal for both E-plane and H-plane
CN110582891A (zh) 具有用于控制射束方向的变抗器的介电行波波导
EP1247309B1 (en) Scanning continuous antenna reflector device

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20180320