CN108365328B - 一种基于石墨烯的微波柔性滤波天线 - Google Patents

一种基于石墨烯的微波柔性滤波天线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于石墨烯的微波柔性滤波天线。由宽带辐射天线和滤波单元组成；宽带辐射天线为微带贴片单极子天线，平面结构形状，分为三层，即石墨烯导电层、柔性介质层和石墨烯接地层；石墨烯导电层位于柔性介质层的一侧面上，石墨烯接地层位于柔性介质层的另一侧面上；石墨烯导电层由依次连接的电磁波单极子辐射臂和馈电微带组成；石墨烯接地层由石墨烯接地片和导电条组成；滤波单元为石墨烯导电层上开设长条状的谐振槽；所述谐振槽位于电磁波单极子辐射臂和馈电微带线之间，且贯穿石墨烯导电层；所述微波柔性滤波波天线沿宽度方向实现柔性弯曲。本发明在保证电路柔性的同时，较好的兼顾了2.3～3.2GHz低频段的辐射性能和4.9～5.9GHz高频段的辐射性能。

Description

一种基于石墨烯的微波柔性滤波天线
技术领域
本发明属于柔性微波电路与系统技术领域，具体涉及一种基于石墨烯的微波毫米波天线。
背景技术
柔性电子是将电子器件制造在可以弯曲或延展的厚度很薄的柔性基板上，从而构成柔性电路的一种电子技术。柔性电子产品具有重量轻、可弯曲、可折叠、可延展、成本低以及制造工艺效率高的特点，因此柔性电路在个人无线通信，可穿戴式装备，可植入医疗设备，无线局域网等应用领域的需要越来越广泛与迫切，尤其是微波系统的多功能化和小型化的发展，对微波系统的柔性化和弹性化的要求越来越高，同时对微波片式系统的集成和系统封装（SIP）也提出了柔性化和弹性化的需求。虽然有一些基于高分子聚合物的柔性衬底已经应用在电路上，但是，由于现有微波集成电路和系统封装中多采用基于硅基等硬衬底电路、导电层多采用金、铜、合金等硬金属，再完全时，容易造成金属层的脱落或断裂，因此在微波电路系统上难以进行较好的柔性化设计。
随着生物医学电子的飞速发展，柔性电子技术在生物医学检测、治疗等领域的应用研究也得到了快速的发展。柔性电子不但可以应用在人体表面，例如柔性传感皮肤，也可以被应用在人体内，例如用于心脏治疗的附着在导管上的柔性电路。柔性电子产品具有易于弯曲的特点，所以柔性电子产品更容易与生物的皮肤、器官和组织的弯曲表面相匹配，通过对天线辐射单元的结构进行优化设计，使得在适当的弯曲、延展或扭曲的情况下柔性天线的性能只发生比较小的变化，从而使柔性电子设备可以为患者提供更精确和更安全的监视和治疗。同时，由于现在无限通讯设备的快速增加，通讯频率的资源紧缺，在个人自由通讯频率之间有着大量的专业应用频段，例如雷达、卫星、手机通讯等等，需尽量屏蔽这个频段无线电信号的干扰，因此天线需有一定的滤波抗干扰功能。
为了实现微波毫米波电路系统的柔性化、共形化与抗干扰，本发明研究了基于石墨烯导电层技术的微波柔性天线，分析了柔性衬底的特点与应用方式，利用石墨烯既具有良好的导电性，又具有很好柔性性的特点，将石墨烯与柔性衬底相结合，充分发挥了柔性微波衬底的优势，同时特性设计了一款用于个人无线通信的石墨烯抗干扰柔性天线来验证本发明的实现功能。
发明内容
本发明的目是提供一种基于石墨烯的微波滤波波天线。
一种基于石墨烯的微波柔性滤波波天线由宽带辐射天线和滤波单元组成；
所述宽带辐射天为微带贴片单极子天线，平面结构形状，分为三层，即石墨烯导电层、柔性介质层和石墨烯接地层；石墨烯导电层位于柔性介质层的一侧面上，石墨烯接地层位于柔性介质层的另一侧面上；
所述石墨烯导电层和石墨烯接地层材料均为石墨烯；
所述石墨烯导电层由依次连接的电磁波单极子辐射臂1和馈电微带组成；所述电磁波单极子射臂1兼顾4.9～5.9GHz高频段和2.3～3.2GHz低频段两部分；中间频段的电磁波由滤波单元滤除，以消除干扰；
所述石墨烯接地层由石墨烯接地片6和导电条9组成；
所述滤波单元为电磁波单极子射臂1上开设长条状的谐振槽8；所述谐振槽8位于电磁波单极子辐射臂1和馈电微带线之间，且贯穿石墨烯导电层；
所述谐振槽8与导电条9尺寸相同，位置完全对应；所述滤波单元将需要滤除频段的电磁波束缚与消耗在谐振槽8与导电条9之间；
所述微波柔性滤波波天线沿宽度方向实现柔性弯曲，微波柔性滤波波天线的宽度方向垂直于所述谐振槽。
进一步限定的技术方案如下：
所述电磁波单极子辐射臂的一端为二级阶梯状，依次分别为第一阶矩形臂2和第二阶矩形臂3，所述馈电微带为阶梯状，分别为第一阶匹配微带线4和第二阶匹配微带线5；所述第一阶矩形臂2连接着第一阶匹配微带线4；所述谐振槽贯穿于第一阶矩形臂2、第二阶矩形臂3和第一阶矩形臂2之间。
所述谐振槽8的长度和宽度与滤波频段的波长成正比，介于波长的0.15-0.5之间，具体数值要根据滤波需要确定。谐振槽8与导电条9尺寸相同。
与导电条对应的接地片上设有凹槽7，所述导电条9的一端位于凹槽7内；所述凹槽7的长度和宽度与滤波频段的波长成正比，介于波长的0.001-0.025之间，具体数值根据匹配阻抗需要确定。
所述柔性介质层材料为聚酰亚胺。
所述第一阶矩形臂2的台阶高度、宽度和第二阶矩形臂3的台阶高度与宽度相同，两阶矩形臂的的台阶高度均是为了延展电磁波的传导路径，提高低频段电磁波的辐射性能；所述馈电微带的第一阶匹配微带线4的长度和宽度由辐射天线臂的阻抗值和第二阶匹配微带线的阻抗值共同决定；所述第二阶匹配微带线5的长度为低频段波长的1/20-1/10，宽度由阻抗值确定，为使微带线的阻抗值等于50欧姆；石墨烯接地片6的长度等于两阶匹配微带线长度之和。
所述微波柔性滤波波天线沿宽度方向的柔性弯曲半径为80-150mm。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1.本发明将石墨烯薄层应用于柔性电路的导电层设计，用石墨烯取代传统柔性电路中金属部分，充分发挥了石墨烯薄层易弯曲的特性，使得导电层和介质层能够同时承受形变带来的应力冲击，克服了传统柔性电路弯曲后造成的金属脱落，裂缝等现象，保证了微波电路的微波性能的可靠性。本发明微波柔性滤波天线能实现U型卷曲，通过调整U型的卷曲程度来实现整个微波柔性滤波天线的弯曲；同时，微波柔性滤波天线在弯曲的同时，保持相对稳定的微波性能。
2. 将滤波单元集成在微波柔性滤波天线中，最大限度的发挥了无源器件、石墨烯薄层与聚酰亚胺介质的特性，使得微波柔性滤波天线不仅可以进行弯曲而且具有较为稳定的滤波性能。
3. 本发明微波柔性滤波天线中，采用了两阶微带馈电加接地矩形刻蚀的方法，在保证电路柔性的同时，较好的平衡了天线馈电长度与驻波之间的矛盾，优化了柔性天线的匹配性能。
4. 微波柔性滤波天线的辐射臂采用了矩形贴片加两阶矩形台阶的设计，在保证电路柔性的同时，较好的兼顾了2.3～3.2GHz低频段的辐射性能和4.9～5.9GHz高频段的辐射性能。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为图1背面结构示意图。
图3为石墨烯导电层结构关键尺寸示意图。
图4为石墨烯接地层结构关键尺寸示意图。
图5为石墨烯接地片结构示意图。
图6为谐振滤波单元结构示意图。
图7为弯曲后石墨烯导电层示意图。
图8为弯曲后石墨烯接地层示意图。
图9为本发明石墨烯柔性滤波天线弯曲参数示意图。
图10为不同弯曲程度的柔性滤波天线工作频段图（S11＜-10dB 为工作频段。
上图中序号：辐射臂1、第一阶矩形臂2、第二阶矩形臂3、第一阶匹配微带线4、第二阶匹配微带线5、石墨烯接地片6、凹槽7、谐振槽8、导电条9、柔性介质层10。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。
以下实施例仅用于说明本发明，而不用于限定本发明的适用范围。在阅读本发明后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改，均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
实施例
参见图1和图2，一种基于石墨烯的微波柔性滤波波天线由宽带辐射天线和滤波单元组成。宽带辐射天为微带贴片单极子天线，平面结构形状，分为三层，即石墨烯导电层、柔性介质层和石墨烯接地层；石墨烯导电层位于柔性介质层的一侧面上，石墨烯接地层位于柔性介质层的另一侧面上。石墨烯导电层的厚度和石墨烯接地层的厚度均为30um；柔性介质层的厚度为0.5mm，材料为聚酰亚胺。
参见图1和图3，石墨烯导电层由依次连接的电磁波单极子辐射臂1和馈电微带组成；所述电磁波单极子射臂1兼顾4.9～5.9GHz高频段和2.3～3.2GHz低频段两部分；滤波单元为石墨烯导电层上开设长条状的谐振槽8；谐振槽8位于电磁波单极子辐射臂1和馈电微带之间，且贯穿石墨烯导电层。参见图3，电磁波单极子辐射臂1为矩形臂，电磁波单极子辐射臂1的一端为二级阶梯状，依次分别为第一阶矩形臂2和第二阶矩形臂3；馈电微带为阶梯状，分别为第一阶匹配微带线4和第二阶匹配微带线5；第一阶矩形臂2连接着第一阶匹配微带线4；谐振槽贯穿于第一阶矩形臂2、第二阶矩形臂3和第一阶矩形臂2之间。谐振槽的长度与滤波频段的波长成正比，宽度与滤波频段的波长成正比。第一阶矩形臂2的台阶高度和第二阶矩形臂3的台阶高度相同，第一阶矩形臂2的宽度大于第二阶矩形臂3的宽度宽，但是小于辐射臂1的宽度。两阶矩形臂的的台阶高度均是为了延展电磁波的传导路径，提高低频段电磁波的辐射性能。馈电微带的第一阶匹配微带线4的长度和宽度由辐射天线臂的阻抗值和第二阶匹配微带线的阻抗值共同决定。第二阶匹配微带线5的长度为低频段波长的1/10，宽度由阻抗值确定，为使微带线的阻抗值等于50欧姆。
参见图4，石墨烯接地层由石墨烯接地片6和导电条9组成；石墨烯接地片6的长度等于两阶匹配微带线长度之和；与导电条9对应的石墨烯接地片6上开设有凹槽7，导电条9的一端位于凹槽7内。凹槽7的长度和宽度与滤波频段的波长成正比，为波长的0.001，导电条9的长度为L5，宽度为W5，见图4。
其中，W2表示为辐射臂1与矩形臂2宽度差值的一半。
石墨烯导电层和石墨烯接地层的结构数据见上表1。
滤波单元为电磁波单极子射臂1上开设长条状的谐振槽8；谐振槽8位于电磁波单极子辐射臂1和馈电微带线之间，且贯穿石墨烯导电层；谐振槽8的长度为L5，宽度为W5，见图3。
谐振槽8与导电条9尺寸相同，位置完全对应；滤波单元将需要滤除频段的电磁波束缚与消耗在谐振槽与导电条之间。
微波柔性滤波波天线沿宽度方向实现柔性弯曲，微波柔性滤波波天线的宽度方向垂直于所述谐振槽。
Figure 536016DEST_PATH_IMAGE002
石墨烯柔性滤波天线弯曲后正面示意图如图7所示，背面示弯曲意图如图8所示，柔性滤波天线整体弯曲效果图如图9所示，石墨烯柔性滤波天线的弯曲主要参数是弯曲半径R，将弯曲半径分别设为80mm， 90mm，100mm，120mm，150mm时，天线的回波特性参数S11指标如图10所示：
从图10和表中可以看出，不同弯曲程度下，石墨烯柔性滤波天线的S11在2.4GHz、5.1GHz、5.3GHz和5.8GHz均在-10dB以下，表明在这两个主要自由通信频段可以正常工作。而在中间频段3.2GHz-4.8GHz特许专有频段，具有较好的滤波特性。

Claims (9)

1.一种基于石墨烯的微波柔性滤波天线，其特征在于：石墨烯柔性滤波天线由宽带辐射天线和滤波单元组成；
所述宽带辐射天线为微带贴片单极子天线，平面结构形状，分为三层，即石墨烯导电层、柔性介质层和石墨烯接地层；石墨烯导电层位于柔性介质层的一侧面上，石墨烯接地层位于柔性介质层的另一侧面上；所述石墨烯导电层和石墨烯接地层材料均为石墨烯；
所述石墨烯导电层由依次连接的电磁波单极子辐射臂（1）和馈电微带组成；所述电磁波单极子射臂（1）兼顾4.9～5.9GHz高频段和2.3～3.2GHz低频段两部分；中间频段的电磁波由滤波单元滤除，以消除干扰；
所述石墨烯接地层由石墨烯接地片（6）和导电条（9）组成；
所述滤波单元为电磁波单极子射臂（1）上开设长条状的谐振槽（8）；所述谐振槽（8）位于电磁波单极子辐射臂（1）和馈电微带线之间，且贯穿石墨烯导电层；
所述谐振槽（8）与导电条（9）尺寸相同，位置完全对应；所述滤波单元将需要滤除频段的电磁波束缚与消耗在谐振槽（8）与导电条（9）之间；
所述微波柔性滤波波天线沿宽度方向实现柔性弯曲，微波柔性滤波波天线的宽度方向垂直于所述谐振槽。
2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的微波柔性滤波天线，其特征在于：所述电磁波单极子辐射臂的一端为二级阶梯状，依次分别为第一阶矩形臂（2）和第二阶矩形臂（3），所述馈电微带为阶梯状，分别为第一阶匹配微带线（4）和第二阶匹配微带线（5）；所述第一阶矩形臂（2）连接着第一阶匹配微带线（4）；所述谐振槽贯穿于第一阶矩形臂（2）、第二阶矩形臂（3）和第一阶匹配微带线（4）之间。
3.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的微波柔性滤波天线，其特征在于：所述谐振槽的长度与滤波频段的波长成正比，宽度与滤波频段的波长成正比。
4.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的微波柔性滤波天线，其特征在于：与导电条对应的接地片上设有凹槽，所述导电条的一端位于凹槽内；所述凹槽的宽度与滤波频段的波长成正比。
5.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的微波柔性滤波天线，其特征在于：所述柔性介质层材料为聚酰亚胺。
6.根据权利要求2所述的一种基于石墨烯的微波柔性滤波天线，其特征在于：所述第一阶矩形臂（2）的台阶高度、宽度和第二阶矩形臂（3）的台阶高度、宽度相同；所述馈电微带的第一阶匹配微带线（4）的长度和宽度由电磁波单极子射臂的阻抗值和第二阶匹配微带线的阻抗值共同决定；所述第二阶匹配微带线（5）的长度为低频段波长的1/10；所述石墨烯接地片（6）的长度等于两阶匹配微带线长度之和。
7.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的微波柔性滤波天线，其特征在于：所述微波柔性滤波波天线沿宽度方向的柔性弯曲半径为80-150mm。
8.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的微波柔性滤波天线，其特征在于：所述谐振槽（8）的长度和宽度与滤波频段的波长成正比，介于波长的0.15-0.5之间。
9.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的微波柔性滤波天线，其特征在于：所述与导电条对应的接地片上设有凹槽（7），所述导电条（9）的一端位于凹槽（7）内；所述凹槽（7）的长度和宽度与滤波频段的波长成正比，介于波长的0.001-0.025之间。
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