CN108054504A - 一种基于石墨烯的双频微带天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯的双频微带天线，属于天线及超材料技术领域。该天线从下至上依次包括多晶硅层、金属接地板、二氧化硅层，所述二氧化硅层上表面设置有馈电传输线、辐射贴片以及石墨烯贴片；石墨烯贴片为三个矩形贴片组成的“工”字型结构，石墨烯贴片与外置直流偏置电压相连接，外置直流偏置电压的另一端与二氧化硅层连接。本发明的石墨烯双频天线应用于太赫兹频段，利用石墨烯贴片阵列作为引向振子，在保证天线良好辐射性能的情况下，产生双频带宽，并改善了天线的辐射性能。相比大多数双频天线来说：具有尺寸小、双频带宽宽、稳定性好、工艺简单的特点。

Description

一种基于石墨烯的双频微带天线

技术领域

本发明属于天线及超材料技术领域，具体涉及一种加载石墨烯的双频天线。

背景技术

太赫兹是电磁波领域的新秀，在目前的通信、雷达等领域有着不可估量的前景。近年来，新型天线及相关器件的设计逐步由射频、微波转向太赫兹方向。因此，我们也迫切地需要开发全新的高效率天线以及天线系统去满足太赫兹系统高频工作的要求。然而很多常用的天线在较高频率下工作性能并不是很好，因此为了得到良好的系统性能，整个天线系统的设计就相对要更加复杂，这直接导致了阻抗匹配困难，成本大大提高等一系列问题。

自从英国曼彻斯特大学的两位科学家制备出单层的石墨烯之后，其高电导率、热导率、高载流子迁移率迅速成为人们研究的热点。短短10多年的发展，石墨烯已经开始应用于生产生活的方方面面，应用包含了从射频到光波频段的多种传感器制作及集成，特别是太赫兹波段天线。由于石墨烯的能带结构的性质，其与太赫兹频段有着不可分割的联系。其特殊性质可以用表面电导率来表示，和普通材料大不相同的是，其表面电导率为复数，得到的表面阻抗有很强的电感特性，在天线参数的电调及可重构方面有着得天独厚的优势。

现有技术中，双频带天线大多都设计在微波频段下工作，如《微带双频滤波天线的研究与设计》(2017年全国微波毫米波会议论文集(下册))中所设计的双频天线，如图3所示：双频滤波天线包括一个方形贴片和一个T形双模谐振器，通过切角使得方形贴片中的简并模式分离，同时调节T形双模谐振器开路枝节线的长度，通过这种结构实现双频带特性。若是在太赫兹频段采用过于复杂的结构，由于工作频率过高，尺寸太小，会给加工造成更大的困难。因此，在新的频段采用结构简单的天线实现我们所需的工作性能还是很有必要的。

发明内容

针对背景技术中的不足，本发明提供了一种基于石墨烯超材料的双频微带天线。该天线采用金属作为辐射贴片，三块矩形石墨烯贴片组成“工”字型结构，引导电磁波辐射。该天线不仅可以工作在高频段，产生双频工作带宽，而且结构简单、易于加工。

为达到上述目的，本发明具体技术方案如下：

一种基于石墨烯的双频带微带天线，从下至上依次包括多晶硅层、二氧化硅层，所述二氧化硅层上表面设置有馈电传输线、辐射贴片以及石墨烯贴片。

所述馈电传输线一端位于二氧化硅层的边，另一端连接辐射贴片；所述辐射贴片的另一侧设置有石墨烯贴片。

所述辐射贴片为矩形金属贴片。

所述石墨烯贴片为三个矩形贴片组成的“工”字型结构，其两侧的矩形贴片尺寸相同，中间的矩形贴片长度为两侧矩形贴片的一半，宽度相同。

所述石墨烯贴片与外置直流偏置电压相连接，外置直流偏置电压的另一端与二氧化硅层连接。

所述多晶硅层与二氧化硅层之间还设置有一接地板，三者为相同尺寸的矩形板。

本发明中，单个石墨烯贴片性能相当于等效二极管电容，可以等效为引向振子，采用三个石墨烯贴片构成石墨烯贴片阵列，对天线的辐射方向进行调控；加载石墨烯贴片有效的改善了天线的阻抗匹配，同时石墨烯贴片与金属辐射贴片之间的互耦效应，实现了双频带宽。

本发明所涉及的石墨烯双频天线应用于太赫兹频段，利用石墨烯贴片阵列作为引向振子，在保证天线良好辐射性能的情况下，产生双频带宽，并改善了天线的辐射性能。相比大多数双频天线来说：具有尺寸小、双频带宽宽、稳定性好、工艺简单的特点。

附图说明

图1为本发明实施例的整体结构示意图；

图2为本发明实施例的俯视图；

图3为双频滤波天线辐射贴片分布图；

图4为天线S11参数仿真结果；

图5为天线驻波比仿真结果；

图6为天线E面辐射图；

图7为天线H面辐射图。

附图标号说明:1-多晶硅层；2-接地板；3-二氧化硅层；4-馈电传输线；5-辐射贴片；6-1-第一石墨烯贴片；6-2-第二石墨烯贴片；6-3-第三石墨烯贴片。

具体实施方式

下面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进一步说明：

一种基于石墨烯的双频微带天线，其长宽尺寸为w1*t1＝950um*350um。如图1所示，1是多晶硅层，2是接地板，3是二氧化硅层，4是馈电传输线，5是辐射贴片，6是石墨烯贴片。多晶硅层的厚度为400um，铜接地板层的厚度为1.6mm，二氧化硅基板层的厚度为43um。

如图2所示，辐射贴片为最经典的矩形微带贴片，辐射贴片尺寸为w3*t3＝312um*156um，材料为金属铜。其连接设置用于加载激励源的馈电传输线的尺寸为w2*t2＝410um*10um。所述石墨烯贴片为三片矩形贴片组成且中心对称的“工”字型结构，第一石墨烯贴片(6-1)和第三石墨烯贴片(6-3)的尺寸为w3*t4＝312um*100um,第二石墨烯贴片(6-2)的尺寸为t5*t4＝156um*100um,其中辐射贴片与石墨烯贴片的间隙为g＝10um。

本发明应用石墨烯加载不同电压，其载流子发生改变这一性质进行设计。对石墨烯表面加载电极，以便于对其加载偏置电压，进而控制石墨烯贴片的费米能级，从而表现出不同的电导率，最终控制石墨烯片的表面电抗，实现引导电磁波传播以及定向耦合的效果。

把单层石墨烯看作是电导率表面，由Kubo公式可以得到其电导率的计算公式，由带内电导率和带间电导率共同组成：

σ_s＝σ_intra(ω,u_c,Γ,T)+σ_inter(ω,u_c,Γ,T) (1)

其中，e为电荷量，ω为角频率，是普朗克常数，k_B波尔兹曼常数，T是室温为300K，u_c为石墨烯的费米能级，Γ为散射率。对于频率较低的微波，影响石墨烯表面电导率率主要是σ_intra(ω,u_c,Γ,T)。本发明的偏置电压采用直接加载的方法，将外置直流偏置电压的电极与石墨烯直接接触连接，外置直流偏置电压的另一端电极与二氧化硅层连接。在仿真设计中通过对3片石墨烯的尺寸以及加载的偏置电压进行不断的优化，最终天线能实现较好的辐射效果。

图4给出了天线S11参数仿真结果，可以看出在合理的加载三片石墨烯之后，天线存在两个谐振点，分别在378GHz和432GHz附近，并且每个谐振点的带宽还处在20GHz左右，其谐振点的S11也远小于10dB。图5给出了天线驻波比的仿真结果，在谐振点附近的带宽内，驻波比皆小于1.5，表明本发明天线可以在设计的两个频段内正常稳定的工作。图6和图7分别给出了天线E面辐射图和H面辐射图，最高增益达到5.35dB。表明本发明设计的天线远场辐射状态良好，可以正常工作。

本发明设计的一种基于石墨烯的双频微带天线，在保证带宽和辐射性能的条件下，表现出双频的工作特性，且稳定性好、工艺简单。

Claims (3)

1.一种基于石墨烯的双频微带天线，从下至上包括多晶硅层、二氧化硅层，所述二氧化硅层上表面设置有馈电传输线、辐射贴片以及石墨烯贴片；

所述馈电传输线一端位于二氧化硅层的边，另一端连接辐射贴片；所述辐射贴片的另一侧设置有石墨烯贴片；

所述辐射贴片为矩形金属贴片；

所述石墨烯贴片为三个矩形石墨烯贴片组成的“工”字型结构；

所述石墨烯贴片与外置直流偏置电压相连接，外置直流偏置电压的另一端与二氧化硅层连接。

2.如权利要求1所述的一种基于石墨烯的双频微带天线，其特征在于：所述石墨烯贴片两侧的矩形贴片尺寸相同，中间的矩形贴片长度为两侧矩形贴片的一半，宽度相同。

3.如权利要求1或2所述的一种基于石墨烯的双频微带天线，其特征在于：所述多晶硅层与二氧化硅层之间还设置有一金属接地板，三者为相同尺寸的矩形板。