CN110444874A - 基于石墨烯的毫米波方向图可重构天线 - Google Patents

基于石墨烯的毫米波方向图可重构天线 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于石墨烯的毫米波方向图可重构天线，主要解决现有毫米波频段天线尺寸小，难以实现天线方向图可重构的问题。其由馈电结构(1)、介质板(2)和辐射贴片(3)构成。馈电结构包括功分器(11)和两个单元控制器(12)，功分器包括中心导带(112)，每个单元控制器由石墨烯贴片(121)和矩形金属片(122)组成，辐射贴片设有两个改进型的辐射单元(31)和两条条形缝隙(32)。馈电结构和辐射贴片通过中间介质板上的金属过孔(21，22)连接。石墨烯贴片与中心导带、矩形金属片和外置电压构成了石墨烯调控结构。通过调节外置电压使得石墨烯电阻率发生变化，实现天线方向图的调控。可用于毫米波频段通信系统。

Description

基于石墨烯的毫米波方向图可重构天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种毫米波方向图可重构天线，可用于毫米波频段通信系统。
背景技术
石墨烯是一种由单层碳原子组成的二维碳纳米材料。具备独特的光学、电学、热学、力学性能。其表面电阻率可以通过施加偏置电压进行调节。近年来，石墨烯的制备取得了很大的进展，使其在微波毫米波器件中得到广泛的应用。
目前，随着微波频段的频谱利用趋于饱和，而毫米波由于频段高、波长短，可以提高无线通信系统对信息的传输速率，逐渐成为研究的重点。在毫米波频段，受限于天线的尺寸等因素，传统的实现天线方向图可重构的方法，如：在天线或其寄生部分加载PIN二极管或变容二极管往往不再适用。
可重构天线的研究主要在于寻找一种可以重构天线参数、切换不同的工作模式的天线设计方案，能将多种天线的功能汇聚在同一天线中，使一个天线同时具有多个天线的功能。
可重构天线的概念最早是在1983年的专利“Frequency Agile,PolarizationDiverse MicrostripAntennas and Frequency ScannedArrays”中提出的。2005年ShaoqiuXiao等人在“2005Asia-Pacific Microwave Conference Proceedings”中提出了“Patternreconfigurable millimeter wave microstrip quasi-Yagi active antenna”。该天线实现了毫米波频段天线方向图的重构。但实现的方式是引入数目较多的开关，结构复杂，且调节过程繁复。2017年Yue Juan、Wenquan Che等人在“IEEEAntennas andWirelessPropagation Letters”中提出了“Compact pattern-reconfigurable monopole antennausing parasitic strips”。该天线由中心的一个有源单极子和四对寄生元件组成，通过切换PIN二极管的开关状态，可以使一对寄生条作为引向器或者反射器。该天线采用调控寄生单元的方法来实现天线方向图的重构，虽简化了调节过程，但实现过程仍引入了大量PIN开关，使得天线结构复杂。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，利用石墨烯表面电导率可调的特性，提出一种基于石墨烯的毫米波可重构天线，以避免引入开关，简化天线结构。
本发明的技术思路是通过两个背对背的改进型Vivaldi天线构成整个天线，两天线通过一个一分二的功分器馈电，并在馈线部分设计有特殊的石墨烯方阻调控结构。通过施加外置电压来改变石墨烯方阻从而改变每一个天线单元的辐射状态，实现天线辐射方向的改变。
根据上述思路，本发明所设计的基于石墨烯的毫米波可重构天线，包括包括底层馈电结构，中间介质板和上层辐射贴片，馈电结构和辐射贴片通过中间介质板上的金属过孔连接；其特征在于：
所述馈电结构包括功分器和两个单元控制器，该功分器用于实现两个天线单元的馈电，每个单元控制器包含石墨烯贴片及与之相连的矩形金属片，用于改变每一个辐射单元的辐射状态；
所述辐射贴片由两个改进型的Vivaldi辐射单元和两条条形缝隙组成，两个辐射单元之间设有两条条形缝隙，每条条形缝隙用于独立调控每片石墨烯贴片的表面电阻率。
进一步，其特征在于，功分器包含左右两个侧地板、中心导带和与该导带相连的扇形金属贴片。
进一步，其特征在于，单元控制器包含石墨烯纳米片和与之等长度的矩形金属片，且二者紧贴。
进一步，其特征在于，每个Vivaldi辐射单元设有圆形槽线、过渡槽线和渐变槽线和矩形槽线，该圆形槽线、过渡槽线和渐变槽线三者依次相连，矩形槽线对称排列在渐变槽线的两侧。
进一步，其特征在于，辐射贴片的条形缝隙位于对应中心导带上电流分布最小的位置。
本发明具有以下技术优点：
1.本发明的上层辐射贴片由于是在传统Vivaldi辐射单元的基础上增加了几组宽度相同、长度递减的矩形槽线，并将这些矩形槽线对称排列在渐变槽线两侧，不仅减小了天线的副瓣和后瓣，还使得天线的有效增益大幅提升，提高了天线的辐射效果。
2.本发明由于将中心导带、两个单元控制器以及两组金属过孔分别与两个外置电压装置相连，构成的石墨烯调控结构，可通过调节两个外置电压来改变石墨烯的表面电阻率，进而控制馈线上的电流分布，改变每一个天线单元的辐射状态，实现天线辐射方向的改变。
3.本发明由于利用石墨烯表面电阻率可调的特性，通过调控石墨烯的表面电阻率来改变每一个天线单元的辐射状态，实现方向图的重构，避免了开关的引入，使得结构更加简单。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明中的馈电结构示意图；
图3为本发明中的辐射贴片示意图；
图4为本发明中的石墨烯调控结构示意图；
图5为本发明实施例1的仿真反射系数；
图6为本发明实施例1的仿真E面方向图；
图7为本发明实施例2的仿真E面方向图；
图8为本发明实施例3的仿真E面方向图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明：
参照图1，本发明发明给出如下三种实施例。
实施例1，能在90°和270°两个方向同时辐射的石墨烯毫米波可重构天线。
本实例里的可重构天线包括底层的馈电结构1，中间层的介质板2和上层的辐射贴片3。馈电结构1包含一个功分器11和两个单元控制器12。两个单元控制器12与功分器11中的中心导带111相连接。介质板2采用介电常数εr＝4.4的FR4材料，介质板长度L＝14mm，宽度W＝8mm，厚度t＝0.5mm。介质板2上设有两组铜制成的金属过孔，第一组金属过孔21，其半径r1＝0.1mm，用以将功分器11的左右两个侧地板111与辐射贴片3连接；第二组金属过孔22，其半径r2＝0.2mm，用以将两个单元控制器12与辐射贴片3连接。辐射贴片3通过电导率σ＝5.9×107s/m的金属铜刻蚀而成，辐射贴片3由两个改进型Vivaldi辐射单元31和两条位于两个改进型Vivaldi辐射单元之间的条形缝隙32组成。
参见图2，馈电结构1由功分器11和两个单元控制器12组成。功分器11由左右侧地板111以及中心导带112和两个扇形金属贴片113组成。其中：
所述的左右侧地板111均为五边形金属片且关于中心线对称，其上边长a1＝0.62mm，右边长a2＝1.5mm，下边长a3＝1.62mm，左边长a4＝0.5mm，斜边长且与中心导带112之间的距离为g1＝0.1mm。
所述的中心导带112分三段，第一段为中心臂，第二段为由中心臂向左右两边分裂的水平双臂，且在分裂处设有等腰三角形切角，第三段为与水平双臂相连的垂直双臂。该中心臂其下半部分为矩形金属贴片，上半部分为等腰梯形金属贴片，矩形金属贴片的宽度w2＝0.56mm，高度为a2＝1.5mm，等腰梯形金属贴片的下端宽度w2＝0.56mm，上端宽度w3＝0.8mm，高度为sg＝0.4mm；该第二段的水平双臂的长度为b＝12mm，宽度g2＝0.24mm，分裂处的等腰三角形切角底边w4＝0.4mm，底角θ＝45°；该第三段垂直双臂的长度为d＝1.57mm，宽度g2＝0.24mm。
所述两个扇形金属贴片113分别与垂直双臂末端相连，其半径为r＝1.2mm。
所述单元控制器包含石墨烯贴片121和矩形金属片122，石墨烯贴片121的一端与中心导带相连接，另一端与之等长度的矩形金属片122相连接。石墨烯贴片长度为lg＝2mm，宽度为sg＝0.4mm，矩形金属片的宽度为d1＝0.5mm。
参见图3，辐射贴片3由两个改进型的Vivaldi辐射单元31和两条条形缝隙32组成。
两个改进型的Vivaldi辐射单元31关于中心线对称，两条条形缝隙32位于两个改进型的Vivaldi辐射单元31之间对应中心导带上电流分布最小的位置，且于中心线对称，每条条形缝隙用于独立调控每片石墨烯贴片的表面电阻率。每个Vivaldi辐射单元设有圆形槽线311、过渡槽线312、渐变槽线313和两组矩形槽线314。圆形槽线311、过渡槽线312、渐变槽线313三者依次连接，两组矩形槽线314对称排列在渐变槽线313两侧，且每组矩形槽线314包括5个高度不等的矩形槽。圆形槽线311的半径为R＝0.6mm，过渡槽线312长度为L1＝2.42mm，宽度为gap＝0.3mm。渐变槽线313的窄端宽度为gap＝0.3mm，宽端宽度为w1＝5.5mm，长度为L2＝2.6mm。每组矩形槽线314包括的5个高度不等的矩形槽，其宽度均为w0＝0.4mm，高度分别为h1＝1.1mm、h2＝1.6mm、h3＝1.9mm、h4＝2.2mm、h5＝2.4mm，相邻矩形槽之间的间距均为n＝0.8mm。两个条形缝隙32缝隙长度为W1＝8mm，宽度为g＝0.1mm，且两条形缝隙之间的距离为L0＝4.8mm。
参见图4，中心导带112、单元控制器12以及金属过孔22与外置电压装置构成了石墨烯调控结构。其中，中心导带112与外置电压正极相连，金属过孔22的一端与单元控制器12的矩形金属片122相连，另一端与外置电压负极相连。当石墨烯贴片的表面电阻率为1000Ω/sq，石墨烯上电流很小且电流流向平行于石墨烯贴片，因此天线有效辐射。调节左右两个外置电压VL以及VR，使左右两侧石墨烯贴片的表面电阻率均为1000Ω/sq。此时天线实现了90°和270°两个方向的同时辐射。
实施例2能在270°方向单独辐射的石墨烯毫米波可重构天线
参见图1、图2、图3、图4，本实施例与实施例1的结构相同，仅对右侧石墨烯调控结构的外置电压VR做调整。
增大右侧石墨烯调控结构的外置电压VR，以减小石墨烯贴片121的表面电阻率，当右侧石墨烯贴片121的表面电阻率为100Ω/sq时，石墨烯上电流较大且电流方向由石墨烯贴片指向矩形金属片122，电流由石墨烯贴片流经矩形金属片后通过右侧金属过孔22被引到地上。此时天线右侧辐射单元不能正常辐射，而左侧石墨烯调控结构的外置电压VL保持不变，左侧石墨烯贴片的表面电阻率为1000Ω/sq，左侧辐射单元依旧可以正常辐射，此时天线实现了270°方向的单独辐射。
实施例3能在90°方向单独辐射的石墨烯毫米波可重构天线
参见图1、图2、图3、图4，本实施例与实施例1的结构相同，仅对左侧石墨烯调控结构的外置电压VL做调整。
增大左侧石墨烯调控结构的外置电压VL，以减小石墨烯贴片的表面电阻率，当左侧石墨烯贴片的表面电阻率为100Ω/sq时，左侧单元不能正常辐射，而右侧石墨烯调控结构的外置电压VR保持不变，此时右侧石墨烯贴片的表面电阻率为1000Ω/sq，右侧辐射单元依旧可以正常辐射，这时天线实现了90°方向的单独辐射。
本发明的效果可通过以下仿真结果进一步说明：
仿真1，对本发明实施例1中天线的反射系数进行仿真，结果如图5。图5中的横坐标为频率，单位为GHz，范围为从25GHz到35GHz，纵坐标为反射系数幅度的分贝值，单位为dB，范围为-16dB—-4dB。由图5可知，天线反射系数在27～32GHz均小于-10dB，表面本发明天线在27～32GHz的范围内端口匹配良好，能进行高效的工作。
仿真2，对本发明实施例1中天线的E面方向图进行仿真，结果如图6所示，其中极坐标的经度坐标为角度，范围为0°-360°，纬度坐标为可实现增益，范围为-20-5dBi。仿真曲线表明天线方向图具有90°和270°的两个辐射波束，并且两个辐射波束的最大可实现增益均为3.5dBi，这表明天线可以实现90°和270°两个方向的同时辐射。
仿真3，对本发明实施例2中天线E面方向图进行仿真。结果如图7所示，该仿真曲线表明天线方向图仅有270°方向的一个主瓣，增益为3.48dBi，后瓣电平为-4.95dBi，表明90°方向的辐射被明显抑制，天线仅在270°方向有效辐射。
仿真4，对本发明实施例3中天线E面方向图进行仿真，结果如图8所示，该仿真曲线表明天线方向图仅有90°方向的一个主瓣，仿真结果增益为3.5dBi，后瓣电平为-5.1dBi，表明270°方向的辐射被明显抑制，天线仅在90°方向有效辐射。
综上，本发明基于石墨烯的毫米波方向图可重构天线，通过改变外置电压改变了石墨烯的表面电阻率，实现了天线两个方向的同时和单独辐射，与传统的方向图可重构天线相比，结构简单，并且便于调控。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于石墨烯的毫米波方向图可重构天线，包括底层馈电结构(1)，中间介质板(2)和上层辐射贴片(3)，馈电结构和辐射贴片通过中间介质板(2)上的金属过孔(21)和(22)连接；其特征在于：
所述馈电结构(1)包括功分器(11)和两个单元控制器(12)，该功分器包含左右两个侧地板(111)、中心导带(112)和与该导带相连的扇形金属贴片(113)，用于实现两个天线单元的馈电，每个单元控制器包含石墨烯贴片(121)及与之相连的矩形金属片(122)，用于改变每一个辐射单元的辐射状态；
所述辐射贴片(3)由两个改进型的Vivaldi辐射单元(31)和两条条形缝隙(32)组成，两个辐射单元之间设有两条条形缝隙(32)，每条条形缝隙用于独立调控每片石墨烯贴片的表面电阻率。
所述每个石墨烯贴片(121)，其一端与中心导带(112)相连，另一端与矩形金属片(122)相连，中心导带(112)的另一端分别与两个外置电压装置的正极相连，两组矩形金属片(122)的另一端通过金属过孔(22)与两个外置电压负极相连，通过控制两个外置电压来调节石墨烯贴片(121)的表面电阻率，实现在90°和270°两个方向同时辐射和分别在270°方向及90°方向单独辐射的三种辐射模式。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，功分器(11)包含左右两个侧地板(111)、中心导带(112)和与该导带相连的扇形金属贴片(113)。
3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，单元控制器(12)包含石墨烯纳米片(121)和与之等长度的矩形金属片(122)，且二者紧贴。
4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，每个Vivaldi辐射单元(31)设有圆形槽线(311)、过渡槽线(312)和渐变槽线(313)和矩形槽线(314)，该圆形槽线(311)、过渡槽线(312)和渐变槽线(313)三者依次相连，矩形槽线(314)对称排列在渐变槽线(313)的两侧。
5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，辐射贴片(3)的条形缝隙(32)位于对应中心导带上电流分布最小的位置。
6.根据权利要求1所述的天线，中心导带(112)、两个单元控制器(12)以及两组金属过孔(22)分别与两个外置电压装置相连，构成石墨烯调控结构，即中心导带(112)与两个外置电压装置的正极相连，两组金属过孔(22)的一端分别与两个单元控制器(12)连接，另一端分别与两个外置电压负极相连。
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