CN109860993B - 一种基于石墨烯三明治结构的方向图可重构天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于石墨烯三明治结构的方向图可重构天线，属于石墨烯技术领域，包括三层金属层和两层介质层，三层金属层分别为天线辐射贴片、金属地结构、微带网络，在天线辐射贴片和金属地结构之间、金属地结构和微带网络之间均分别设置介质层；微带网络包括功率分配网络、相移网络、金属化过孔和石墨烯三明治结构；石墨烯三明治结构包括第一石墨烯三明治结构和第二石墨烯三明治结构。本发明通过调节石墨烯三明治结构的偏置电压实现波束偏转，属于方向图可重构天线阵，波束偏转角度受偏置电压的影响；天线阵馈电电路包含一个基于石墨烯三明治结构的衰减器，用于稳定相移网络中石墨烯三明治结构被偏置电压调控时产生的输入阻抗变化。
Description
技术领域
本发明属于石墨烯技术领域，具体涉及一种基于石墨烯三明治结构的方向图可重构天线。
背景技术
随着现代雷达和通信系统的迅速发展，为实现通信、导航、制导、警戒、武器寻的等目的，飞机、轮船、卫星等所需的天线数量越来越多。这使得平台上所负载的重量不断增加，而且搭建天线所需的费用也不断上升，同时，各天线之间的电磁下扰也非常大，严重影响天线的正常工作。为减轻平台上所负载的天线重量、降低成本、减小平台的雷达散射截面实现良好的电磁兼容特性，希望能用一个天线来实现多个天线的功能。采用同一个天线或天线阵，通过动态改变其工作参数，使其具有多个天线的功能，相当于多个天线共用一个物理口径。这种天线就称为可重构天线。
可重构天线按功能可分为频率可重构天线(包括实现宽频带和实现多频带)、方向图可重构天线、极化可重构天线和多电磁参数可重构天线。通过改变可重构天线的结构可以使天线的频率、方向图、极化方式等多种参数中的一种或几种实现重构。这样可以通过切换天线不同的状态使天线具有多种工作模式，有利于在传输中实现多种有效的分集。
目前，可重构天线的主流设计方案包括：可调的机械结构、射频开关、参数可变的器件、参数可变的材料。可调的机械结构的缺陷在于，这类结构通常为三维结构，体积较大，不利于天线的平面集成，并且需要外加机械驱动装置，如电机。射频开关和参数可变的器件的缺陷在于，开关和器件一般是三维结构，不利于天线的平面集成。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种基于石墨烯三明治结构的方向图可重构天线，可以通过调节石墨烯三明治结构的偏置电压实现波束偏转，属于方向图可重构天线阵，波束偏转角度受偏置电压的影响；天线阵馈电电路包含一个基于石墨烯三明治结构的衰减器，用于稳定相移网络中石墨烯三明治结构被偏置电压调控时产生的输入阻抗变化。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于石墨烯三明治结构的方向图可重构天线，包括三层金属层和两层介质层，三层金属层分别为天线辐射贴片、金属地结构、微带网络，在天线辐射贴片和金属地结构之间、金属地结构和微带网络之间均分别设置介质层；所述的微带网络包括功率分配网络、相移网络、金属化过孔和石墨烯三明治结构；所述的石墨烯三明治结构包括第一石墨烯三明治结构和第二石墨烯三明治结构，所述的第一石墨烯三明治结构、第二石墨烯三明治结构覆盖在金属微带线上。
进一步的，所述的天线辐射贴片由两个相同大小的矩形金属贴片构成。
进一步的，两个所述的矩形金属贴片的间距为0.6个波长。
进一步的，所述的金属地结构包括金属地和两道馈电缝隙，所述的馈电缝隙分别位于两个矩形金属贴片下方。
进一步的，输入信号从输入端进入后，经过由所述的第二石墨烯三明治结构和金属微带线组成的衰减器，再进入功率分配网络，分成两路信号，分别给两个天线辐射贴片馈电；其中一路信号经过所述的第一石墨烯三明治结构与微带线网络复合而成的相移网络，再到达一侧天线辐射贴片。
进一步的，所述的相移网络中的两个微带线枝节为终端短路微带线，通过金属化过孔与金属地结构连接。
进一步的，所述的第一石墨烯三明治结构加偏置电压；第二石墨烯三明治结构不加偏置电压。
进一步的，所述的第一石墨烯三明治结构包括PVC薄膜、单层石墨烯薄膜和离子液，在两层PVC薄膜的内侧均转移设置单层石墨烯薄膜，在两层单层石墨烯薄膜之间填充离子液；在所述的PVC薄膜两侧分别预留空间用于放置电极，偏置电压通过电极加到第一石墨烯三明治结构上。
发明原理：参数可变的材料的优势在于，天线结构或其中一部分结构的材料的参数可以被外界激励调控，不需要加入额外的可调结构或器件，有利于天线的体积缩减和平面集成。石墨烯作为一种参数可调材料，具有特殊的电可调特性。在微波毫米波频段，石墨烯表面阻抗的实部在偏置电压下可调，而虚部几乎不变。在太赫兹频段，石墨烯表面阻抗的虚部在偏置电压下可调，而实部几乎不变。为了使石墨烯在微波毫米波频段的可调性更加明显，可以使用石墨烯三明治结构。石墨烯三明治结构由两层转移到PVC衬底上的单层石墨烯和夹在两层石墨烯之间的离子液组成。石墨烯三明治结构可以令石墨烯的表面阻抗在较低的偏置电压下发生明显变化，而不使用该结构则需要施加很高的电压，具有一定的危险性。
有益效果：与现有技术相比，本发明的一种基于石墨烯三明治结构的方向图可重构天线，天线阵元之间的相移网络采用石墨烯三明治结构与金属微带线网络复合的形式，输出端信号的相位差随石墨烯三明治结构上偏置电压的调控而动态变化；天线阵采用缝隙馈电，位于底层金属层的金属微带线跨过缝隙；微带线的长度和宽度影响天线阵的反射系数；天线可以通过调节石墨烯三明治结构的偏置电压实现波束偏转，属于方向图可重构天线阵，波束偏转角度受偏置电压的影响；天线阵馈电电路包含一个基于石墨烯三明治结构的衰减器，用于稳定相移网络中石墨烯三明治结构被偏置电压调控时产生的输入阻抗变化。
附图说明
图1为基于石墨烯三明治结构的方向图可重构天线横截面结构示意图；
图2为基于石墨烯三明治结构的方向图可重构天线辐射单元示意图；
图3为金属地的馈电缝隙图；
图4为功率分配和相移网络图；
图5为石墨烯三明治结构图；
图6为基于石墨烯三明治结构的方向图可重构天线S参数图；
图7为基于石墨烯三明治结构的方向图可重构天线在4.5GHz的方向图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
如图1-7所示，附图标记为：天线辐射贴片1、金属地结构2、微带网络3、介质层4、第一石墨烯三明治结构5、第二石墨烯三明治结构6。其中，微带网络3包括相移网络31和金属化过孔32；第一石墨烯三明治结构5包括PVC薄膜51、单层石墨烯薄膜52和离子液53。金属地结构2包括金属地22和金属地上22刻蚀的馈电缝隙21。
如图1所示，一种基于石墨烯三明治结构的方向图可重构天线，包括三层金属层和两层介质层4，三层金属层分别为天线辐射贴片1、金属地结构2、微带网络3，在天线辐射贴片1和金属地结构2之间、金属地结构2和微带网络3之间均分别设置介质层4。
天线辐射贴片1由两个相同大小的矩形金属贴片构成。金属地22刻蚀的馈电缝隙21，两道馈电缝隙21分别位于两个天线辐射贴片1下方，用于馈电。微带网络3由功率分配网络、相移网络31、金属化过孔32和石墨烯三明治结构组成。金属微带线从下方跨过馈电缝隙，给上方的天线辐射贴片1馈电。
如图2所示，天线辐射贴片1位于层叠结构的最上方，由两个尺寸相同的矩形金属贴片组成。两个金属贴片的间距为0.6个波长。
图3为金属地22的馈电缝隙21图；两道馈电缝隙21分别位于上层两个天线辐射贴片1下方。
如图4所示，第一石墨烯三明治结构5、第二石墨烯三明治结构6覆盖在金属微带线上。输入信号从左下角输入端进入后，先经过一个由第二石墨烯三明治结构6和金属微带线组成的衰减器，再进入功率分配网络，分成两路信号，分别给两个天线辐射贴片1馈电。右边一路信号直接经过馈电缝隙到达右侧天线辐射贴片1。左边一路信号经过第一石墨烯三明治结构5与微带线网络复合而成的相移网络31，到达左侧天线辐射贴片1。相移网络31中的两个微带线枝节为终端短路微带线，通过金属化过孔32与金属地2连接。第一石墨烯三明治结构5需要加偏置电压。第二石墨烯三明治结构6不加偏置电压。基于第二石墨烯三明治结构6的衰减器的作用是在相移网络中第一石墨烯三明治结构5被偏置电压调控时获得比较稳定的反射系数。
图5示出了第一石墨烯三明治结构5的横截面示意图。该结构包括转移到 PVC薄膜51上的CVD法制备的单层石墨烯薄膜52，和夹在两层石墨烯薄膜之间的离子液53。在PVC薄膜51两侧分别留出一段空间用于放置电极，偏置电压通过电极加到第一石墨烯三明治结构5上。
图6为该天线的S参数。R为第一石墨烯三明治结构5中石墨烯的表面电阻。 R的调节范围在500Ω/sq到2000Ω/sq之间，随偏置电压动态变化。该天线阵的工作频段在4.5GHz附近，当R发生变化时，天线反射系数比较稳定。
图7为天线在Phi＝0°平面的方向图。当R发生变化时，天线主波束方向随之偏转，最大偏转角度约为40°。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种基于石墨烯三明治结构的方向图可重构天线，其特征在于：包括三层金属层和两层介质层(4)，三层金属层分别为天线辐射贴片(1)、金属地结构(2)、微带网络(3)，在天线辐射贴片(1)和金属地结构(2)之间、金属地结构(2)和微带网络(3)之间均分别设置介质层(4)；所述的微带网络(3)包括功率分配网络、相移网络(31)、金属化过孔(32)和石墨烯三明治结构；所述的石墨烯三明治结构包括第一石墨烯三明治结构(5)和第二石墨烯三明治结构(6)，所述的第一石墨烯三明治结构(5)、第二石墨烯三明治结构(6)覆盖在金属微带线上；所述的天线辐射贴片(1)由两个相同大小的矩形金属贴片构成；所述的金属地结构(2)包括金属地(22)和两道馈电缝隙(21)，所述的馈电缝隙(21)分别位于两个矩形金属贴片下方；输入信号从输入端进入后，经过由所述的第二石墨烯三明治结构(6)和金属微带线组成的衰减器，再进入功率分配网络，分成两路信号，分别给两个天线辐射贴片(1)馈电；其中一路信号经过所述的第一石墨烯三明治结构(5)与微带线网络复合而成的相移网络(31)，再到达一侧天线辐射贴片(1)；所述的相移网络(31)中的两个微带线枝节为终端短路微带线，通过金属化过孔(32)与金属地结构(2)连接；所述的第一石墨烯三明治结构(5)加偏置电压；第二石墨烯三明治结构(6)不加偏置电压。
2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯三明治结构的方向图可重构天线，其特征在于：两个所述的矩形金属贴片的间距为0.6个波长。
3.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯三明治结构的方向图可重构天线，其特征在于：所述的第一石墨烯三明治结构(5)包括PVC薄膜(51)、单层石墨烯薄膜(52)和离子液(53)，在两层PVC薄膜(51)的内侧均转移设置单层石墨烯薄膜(52)，在两层单层石墨烯薄膜(52)之间填充离子液(53)；在所述的PVC薄膜(51)两侧分别预留空间用于放置电极，偏置电压通过电极加到第一石墨烯三明治结构(5)上。
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