CN109167159A - 基于石墨烯贴片阵列结构的Fabry-Perot谐振天线 - Google Patents

基于石墨烯贴片阵列结构的Fabry-Perot谐振天线 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于石墨烯的Fabry‑Perot谐振天线，包括石墨烯层(1)、介质层(2)、反射面(3)以及波导(4)；所述反射面(3)设置在波导(4)一端，所述反射面(3)远离波导(4)一侧依次设置有介质层(2)和石墨烯层(1)；其中反射面(3)、介质层(2)以及石墨烯层(1)组成Fabry‑Perot谐振腔，在石墨烯两侧施加外电场，可调节其表面电导率，满足一定频率范围内的谐振条件，通过多次反射与透射，最终达到在边射方向达到最大的方向性。本发明可覆盖频段主要在太赫兹频段，具有结构简单、体积小、高方向性、波束宽度小、Fabry‑Perot谐振腔工作频率可调等优点。

Description

基于石墨烯贴片阵列结构的Fabry-Perot谐振天线
技术领域
本发明涉及Fabry-Perot谐振天线，具体地，涉及一种基于石墨烯贴片阵列结构的Fabry-Perot谐振天线，尤其涉及基于石墨烯贴片阵列结构的Fabry-Perot谐振高方向性天线。
背景技术
随着通信技术的快速发展，电磁环境复杂性、多变性增加，作为通讯系统中电磁波收发设备的天线面临着新的、多样化的技术要求和挑战。尤其对于远距离通信，天线的增益和方向性的性能指标更是重中之重，因此相关领域的研究也逐渐引起了科研人员的重视。
要实现天线的高增益特性和高方向性特性，一个可行的办法就是采用谐振腔结构。通过增加一个具有部分反射特性的反射板，使其与天线构成一个Fabry-Perot谐振腔，可以使得天线在不增加馈电网络复杂性的情况下明显提高天线的增益；通过调节天线谐振腔体高度控制谐振条件，实现信号的同相位叠加，可以有效提高天线的方向性，锐化波束宽度。与传统高增益天线技术相比，Fabry-Perot谐振天线具有体积小、结构简单、馈电网络复杂性低等优点，其具体实现方式如下：
Fabry-Perot谐振腔由两个相距为h的反射面a和反射面b组成，反射面a在下方，反射面b在上方。反射面a反射相位为φ1，反射系数为Γ，透射系数为T，反射面b反射相位为φ2，反射系数为1。假设原天线方向图为D0(θ)，电场强度为E0，则第n次透射波为：
其中，j为虚数符号；θ为入射角度；
φ是相邻两束透射波之间的相位差，是由电磁波多次反射与透射所导致，与两个反射面反射相位和之间的距离h有关：
其中λ为介质中的波长。
所有的透射电磁波相叠加信号E为
为了满足天线前向增益增加，即θ＝0°时增益变强，相位差φ应满足：
现有的Fabry-Perot谐振天线通常采用金属介质覆层，对于太赫兹频段，由于金属趋肤效应明显，损耗较大，不利于天线性能的优化和提升。如专利文献CN105071051A公开的一种改进型Fabry-Pérot谐振腔天线，又如期刊IEEE Access发表的文章：Wideband Fabry-Perot Resonator Antenna With Electrically Thin Dielectric Superstrates；
也有相关研究针对低散射、注重隐身技术的Fabry-Perot谐振天线，如专利文献CN106848598A公开的一种基于编码超表面的低散射高增益法布里-珀罗谐振腔天线。
因此，对于太赫兹频段Fabry-Perot谐振天线，选用合适的介质层材料并针对该材料的天线体系进行优化是一种可行的性能提升办法。而石墨烯作为具有优异晶体品质和电子性质的二维材料，是一种由蜂窝状的碳原子构成的薄膜，在电学、光学、力学方面显示出独特的优势，如常温下超高的电子迁移率，如极低的电阻率等。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。在频率小于10THz时，无静磁偏置等条件下，石墨烯的表面电导率Kubo模型为
其中为约化普朗克常量，T＝300K为室温，kB＝1.38×10-23为玻尔兹曼常数，q＝1.6×10-19C位为电子电荷量，ω为角频率，μc为石墨烯化学势，π＝3.14为圆周率，σ为石墨烯的表面电导率，j为虚数符号，Γ为散射率且Γ＝1/(2τ)，其中τ为弛豫时间。
目前，基于石墨烯的Fabry-Perot谐振天线尚处于研究阶段，市场上未见该类型的天线产品，也未发现类似的专利文献。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于石墨烯的Fabry-Perot谐振天线。
根据本发明提供的一种基于石墨烯的Fabry-Perot谐振天线，其特征在于，包括石墨烯层、介质层、反射面以及波导；所述反射面设置在波导一端，所述反射面远离波导一侧依次设置有介质层和石墨烯层。
优选地，所述波导包括馈源端口；所述馈源端口设置在波导远离反射面一端。
优选地，所述波导的外形为长方体，传输TE10模；所述馈源端口构成外部激励连接端。
优选地，所述反射面包括第一通孔，所述第一通孔尺寸与波导对应；反射面与波导通过第一通孔相连。
优选地，所述反射面的外形为长方体，其组成物质包括金属。
优选地，所述介质层的外形为长方体，底面积与反射面底面积相同；介质层的组成物质包括相对介电常数为3.9的二氧化硅。
优选地，所述石墨烯层包括石墨烯贴片阵列结构和/或整片石墨烯覆层；所述石墨烯贴片阵列结构包括周期排布的任多个石墨烯贴片单元。
优选地，所述石墨烯的化学势能够随外加电场的变化而改变。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明利用石墨烯电导率随所加电压变化而变化的特点，设计了一种基于石墨烯材料的Fabry-Perot谐振高方向性天线，结构简单、体积小；石墨烯化学势可由外加电压调节，使Fabry-Perot谐振频率随外加电压可调，谐振腔可以在一定的频率范围以内增加天线的方向性，减小波束宽度；同时，相比于单层石墨烯-介质覆层，石墨烯贴片阵列结构覆层可以取得更高的方向性。
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为本发明提供的基于石墨烯的Fabry-Perot谐振天线结构示意图；
图2为本发明提供的基于石墨烯的Fabry-Perot谐振天线的主视示意图；
图3为本发明提供的基于石墨烯的Fabry-Perot谐振天线中波导的结构示意图；
图4为单一矩形波导天线在2THz，Phi＝0°时的方向性方向图；
图5为单一矩形波导天线在2THz，Phi＝90°时的方向性方向图；
图6为整片石墨烯覆层Fabry-Perot谐振天线在化学势μc＝1eV，频率为2THz，Phi＝0°时的方向性方向图；
图7为整片石墨烯覆层Fabry-Perot谐振天线在化学势μc＝1eV，频率为2THz，Phi＝90°时的方向性方向图；
图8为石墨烯贴片阵列覆层Fabry-Perot谐振天线在化学势μc＝1eV，频率为2THz，Phi＝0°时的方向性方向图；
图9为石墨烯贴片阵列覆层Fabry-Perot谐振天线在化学势μc＝1eV，频率为2THz，Phi＝90°时的方向性方向图；
图10为单一矩形波导天线在1.8THz，Phi＝0°时的方向性方向图；
图11为单一矩形波导天线在1.8THz，Phi＝90°时的方向性方向图；
图12为整片石墨烯覆层Fabry-Perot谐振天线在化学势μc＝0.65eV，频率为1.8THz，Phi＝0°时的方向性方向图；
图13为整片石墨烯覆层Fabry-Perot谐振天线在化学势μc＝0.65eV，频率为1.8THz，Phi＝90°时的方向性方向图；
图14为石墨烯贴片阵列覆层Fabry-Perot谐振天线在化学势μc＝0.65eV，频率为1.8THz，Phi＝0°时的方向性方向图；
图15为石墨烯贴片阵列覆层Fabry-Perot谐振天线在化学势μc＝0.65eV，频率为1.8THz，Phi＝90°时的方向性方向图。
图中示出：
石墨烯层 1
介质层 2
反射面 3
波导 4
馈源端口 41
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基于石墨烯的Fabry-Perot谐振天线，包括石墨烯层1、介质层2、反射面3以及波导4；所述反射面3设置在波导4一端，所述反射面3远离波导4一侧依次设置有介质层2和石墨烯层1。
优选地，所述波导4包括馈源端口41；所述馈源端口41设置在波导4远离反射面3一端。所述波导4的外形为长方体，传输TE10模；所述馈源端口41构成外部激励连接端。所述反射面3包括第一通孔，所述第一通孔尺寸与波导4对应；反射面3与波导4通过第一通孔相连。所述反射面3的外形为长方体，其组成物质包括金属。所述介质层2的外形为长方体，底面积与反射面3底面积相同；介质层2的组成物质包括相对介电常数为3.9的二氧化硅。
具体地，所述石墨烯层1包括石墨烯贴片阵列结构和/或整片石墨烯覆层；所述石墨烯贴片阵列结构包括周期排布的任多个石墨烯贴片单元。所述石墨烯的化学势能够随外加电场的变化而改变。
进一步地，如图1所示，本发明提供的一种基于石墨烯的Fabry-Perot谐振天线，可用于太赫兹频段等无线通信系统，该天线体积仅为500μm×500μm×131.9μm，其中介质层2材料采用二氧化硅，尺寸为500μm×500μm×31.9μm，波导4外形为长方体，尺寸为100μm×50μm×100μm。天线工作过程是，波导4上方的反射面3、介质层2以及石墨烯层构成Fabry-Perot谐振腔。当电磁波从波导4进入谐振腔中，会在石墨烯层1以及反射面3之间来回反射与透射。可以通过改变石墨烯表面电导率，从而改变谐振腔工作的谐振频率。将Fabry-Perot谐振腔覆盖在原天线上方，当谐振腔的谐振频率与天线工作频率相同时，可以增大天线的方向性。并且由于谐振腔的工作频率在一定范围内调谐，找到与工作频率相对应的石墨烯化学势，可以在较大的频率范围内增加天线的方向性。根据Fabry-Perot谐振腔原理，当二氧化硅介质厚度为31.9μm时，可以得到Fabry-Perot谐振腔的谐振频率与其相应的石墨烯化学势。
更进一步地，本发明提供的基于石墨烯的Fabry-Perot谐振天线的主视示意图如图2所示，介质上表面平铺着一层石墨烯贴片阵列，下表面与金属反射面相接触；矩形波导结构示意图如图3所示，矩形波导截面为长方形，尺寸为100μm×50μm，波导高度为100μm，截止频率为1.5THz。
图4为单一矩形波导天线在2THz，Phi＝0°时的方向性方向图。可以看出，在θ＝0°时天线方向性为6.3dB。
图5为单一矩形波导天线在2THz，Phi＝90°时的方向性方向图。可以看出，在θ＝0°时天线方向性为6.3dB，并且Phi＝90°时波瓣波束宽度更大。
图6为整片石墨烯覆层Fabry-Perot谐振天线在化学势μc＝1eV，频率为2THz，Phi＝0°时的方向性方向图。可以看出，添加Fabry-Perot谐振腔以后天线在θ＝0°的方向性从6.5dB增大到9.55dB，并且天线的前后比明显减小。
图7为整片石墨烯覆层Fabry-Perot谐振天线在化学势μc＝1eV，频率为2THz，Phi＝90°时的方向性方向图。可以看出，添加Fabry-Perot谐振腔以后天线在θ＝0°的方向性从6.3dB增大到9.55dB，并且天线的波束宽度和前后比明显较小。
图8为石墨烯贴片阵列覆层Fabry-Perot谐振天线在化学势μc＝1eV，频率为2THz，Phi＝0°时的方向性方向图。可以看出，替换为石墨烯贴片阵列覆层Fabry-Perot谐振腔以后天线在θ＝0°的方向性从9.55dB增大到11.34dB。
图9为石墨烯贴片阵列覆层Fabry-Perot谐振天线在化学势μc＝1eV，频率为2THz，Phi＝90°时的方向性方向图。可以看出，替换为石墨烯贴片阵列覆层Fabry-Perot谐振腔以后天线在θ＝0°的方向性从9.55dB增大到11.34dB。
图10为单一矩形波导天线在1.8THz，Phi＝0°时的方向性方向图。可以看出，在θ＝0°时天线方向性为5.71dB。
图11为单一矩形波导天线在1.8THz，Phi＝90°时的方向性方向图。可以看出，在θ＝0°时天线方向性为5.71dB，并且Phi＝90°时波瓣波束宽度更大。
图12为整片石墨烯覆层Fabry-Perot谐振天线在化学势μc＝0.65eV，频率为1.8THz，Phi＝0°时的方向性方向图。可以看出，添加Fabry-Perot谐振腔以后天线在θ＝0°的方向性从5.71dB增大到7.23dB，并且天线的前后比明显减小。
图13为整片石墨烯覆层Fabry-Perot谐振天线在化学势μc＝0.65eV，频率为1.8THz，Phi＝90°时的方向性方向图。可以看出，添加Fabry-Perot谐振腔以后天线在θ＝0°的方向性从5.71dB增大到7.23dB，并且天线的波束宽度和前后比明显较小。
图14为石墨烯贴片阵列覆层Fabry-Perot谐振天线在化学势μc＝0.65eV，频率为1.8THz，Phi＝0°时的方向性方向图。可以看出，替换为石墨烯贴片阵列覆层Fabry-Perot谐振腔以后天线在θ＝0°的方向性从7.23dB增大到10.05dB。
图15为石墨烯贴片阵列覆层Fabry-Perot谐振天线在化学势μc＝0.65eV，频率为1.8THz，Phi＝90°时的方向性方向图。可以看出，替换为石墨烯贴片阵列覆层Fabry-Perot谐振腔以后天线在θ＝0°的方向性从7.23dB增大到10.05dB，并且天线的波束宽度和前后比明显较小。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
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 (9)

1.一种基于石墨烯贴片阵列结构的Fabry-Perot谐振天线，其特征在于，包括石墨烯层(1)、介质层(2)、反射面(3)以及波导(4)；所述反射面(3)设置在波导(4)一端，所述反射面(3)远离波导(4)一侧依次设置有介质层(2)和石墨烯层(1)。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯贴片阵列结构的Fabry-Perot谐振天线，其特征在于，所述波导(4)包括馈源端口(41)；所述馈源端口(41)设置在波导(4)远离反射面(3)一端。
3.根据权利要求2所述的基于石墨烯贴片阵列结构的Fabry-Perot谐振天线，其特征在于，所述波导(4)的外形为长方体，传输TE10模；所述馈源端口(41)构成外部激励连接端。
4.根据权利要求1所述的基于石墨烯贴片阵列结构的Fabry-Perot谐振天线，其特征在于，所述反射面(3)包括第一通孔，所述第一通孔尺寸与波导(4)对应；反射面(3)与波导(4)通过第一通孔相连。
5.根据权利要求1所述的基于石墨烯贴片阵列结构的Fabry-Perot谐振天线，其特征在于，所述反射面(3)的外形为长方体，其组成物质包括金属。
6.根据权利要求1所述的基于石墨烯贴片阵列结构的Fabry-Perot谐振天线，其特征在于，所述介质层(2)的外形为长方体，底面积与反射面(3)底面积相同；介质层(2)的组成物质包括相对介电常数为3.9的二氧化硅。
7.根据权利要求1所述的基于石墨烯贴片阵列结构的Fabry-Perot谐振天线，其特征在于，所述石墨烯层(1)包括石墨烯贴片阵列结构和/或整片石墨烯覆层；所述石墨烯贴片阵列结构包括周期排布的任多个石墨烯贴片单元。
8.根据权利要求7所述的基于石墨烯贴片阵列结构的Fabry-Perot谐振天线，其特征在于，所述石墨烯的化学势能够随外加电场的变化而改变。
9.根据权利要求5所述的基于石墨烯贴片阵列结构的Fabry-Perot谐振天线，其特征在于，所述反射面(3)厚度为18微米或35微米。
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