CN112436282B - 基于石墨烯的波束可扫描印刷偶极子柔性天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于石墨烯的波束可扫描印刷偶极子柔性天线，包括在印刷偶极子阵列天线上表面的不等功率分配的一分二微带功分器和馈电巴伦，且在功率分配较大端引入基于石墨烯薄片的等效电容，印刷偶极子阵列天线底面有截断的金属地，以及金属地上的槽线和矩形槽，在金属地一侧有两个印刷半波偶极子构成天线阵列。本发明利用外加偏置电压调控石墨烯的电导率特性，从而调节等效电容枝节的电容，以实现对印刷偶极子天线单元馈电相位的改变，进而对两单元印刷偶极子天线单元之间相位差进行调节，在柔性化、平面集成化和波束可扫描天线中具有良好的应用前景。

Description

基于石墨烯的波束可扫描印刷偶极子柔性天线
技术领域
本发明属于微波器件技术领域，具体涉及基于石墨烯的波束可扫描印刷偶极子柔性天线。
背景技术
近年来随着通信电子技术地迅速发展，可重构、可动态调节的天线与电子器件受到了广泛的关注和研究，并且具有着广阔的应用前景。相控阵雷达及某些需要动态扫描的特定场景中都需要波束扫描的天线阵列，且随着电子产品及器件的可弯曲和柔性化，对于天线和器件的可柔性提出了进一步的要求，为了实现柔性动态可调的天线和器件这一应用需求，设计柔性且可实时动态调节的天线和微波器件就具有了十分重要的研究意义。
波束扫描天线可以通过改变天线单元的馈电相位，从而改变阵列天线单元之间的相位差，达到调控天线的方向图指向，实现阵列天线的辐射波束扫描功能。波束扫描天线有着扫描能力强、增强覆盖、天线辐射范围灵活与降低干扰等优势，被广泛运用在军事相控阵雷达、气象预测雷达、以及基站的大规模MIMO天线技术中。
近年来随着可穿戴电子产品，以及可折叠手机等设备的迅速发展，共形天线和柔性天线技术得到了更多的研究和关注，众多共形或柔性天线也应运而生。石墨烯由于其突出的电子和光学性能受到了广泛的关注，并且石墨烯的电导率可调特性和石墨烯材料的柔性特性，完全符合柔性动态可调电子器件和天线的设计需求，是未来设计柔性且动态可调电子器件的极佳选择，所以运用石墨烯设计一款动态可调的柔性天线有利于天线的平面化、集成化、柔性化和实时动态调控。
发明内容
技术问题：为了解决现有技术存在的问题，本发明提供基于石墨烯的波束可扫描印刷偶极子柔性天线，它具有结构设计简单、柔性化、动态调控和易于平面集成等优点，并且可以通过调节天线的外部偏置电压来获得天线方向图指向的改变，从而实现阵列天线辐射波束扫描的功能。
技术方案：为了实现上述发明目的，本发明的一种基于石墨烯的波束可扫描印刷偶极子柔性天线采用如下技术方案：
该柔性天线包括一分二微带功率分配器、四分之一阻抗变换器、微带馈电巴伦、等效电容、石墨烯薄片、聚酰亚胺基板、槽线、矩形槽、截断的金属地、印刷偶极子天线单元；在聚酰亚胺基板上表面的下端设有一分二微带功率分配器，四分之一波长阻抗变换器位于聚酰亚胺基板的中部且与一分二微带功率分配器连接，在四分之一波长阻抗变换器的上部连接微带馈电巴伦，在所述的一分二微带功率分配器的右侧支路引入等效电容，且在所述等效电容中引入石墨烯薄片，在所述的聚酰亚胺基板下表面是截断的金属地，在所述截断的金属地上部刻有槽线和矩形槽，在所述截断的金属地上的槽线的上端接有印刷偶极子天线单元。
所述印刷偶极子天线单元，进行馈电相位的改变，主要是通过所述的等效电容和石墨烯薄片结合来实现的，所述的等效电容通过线宽由宽变窄的微带过渡线与右侧微带枝节进行连接，所述等效电容的末端为短路枝节，通过金属过孔与所述的聚酰亚胺基板下表面截断的金属地相连，所述的石墨烯薄片加载在等效电容中。
在所述的截断的金属地上刻蚀有互相连接的槽线和矩形槽，槽线的长度为17.53mm，宽度为0.9mm，矩形槽的长度为6mm，宽度为9mm。
所述的印刷偶极子天线单元在聚酰亚胺基板下表面的槽线一侧，所述的基于石墨烯的波束可扫描印刷偶极子柔性天线由两个印刷偶极子天线单元构成，所述的印刷偶极子天线单元均是半波长偶极子天线单元。
所述的聚酰亚胺基板的相对介电常数为3.5，厚度为0.275mm，其它金属结构均为铜材质。
所述的石墨烯薄片由石墨烯粉末和异丙醇混合凝结而成，将石墨烯薄片加载在等效电容中，再通过对等效电容的微带馈电端和接地端之间加偏置电压，来调节有石墨烯薄片加载的等效电容的电容值。
有益效果：与现有技术相比，本发明的基于石墨烯的波束可扫描印刷偶极子柔性天线，该柔性阵列天线利用外部偏置电压来调控石墨烯的电导率，从而改变石墨烯薄片的阻值，影响载入石墨烯薄片的微带等效电容的电容值，从而调节天线单元的馈电相位，实现柔性阵列天线的波束扫描功能，不仅阵列天线的结构设计简单，且可以实现波束扫描阵列天线的全柔性化和平面化，适用于未来柔性天线和柔性通信系统的需求，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是波束可扫描印刷偶极子柔性天线的整体透视结构视图；
图2是波束可扫描印刷偶极子柔性天线的俯视图；
图3是波束可扫描印刷偶极子柔性天线的底视图；
图4是实施例的波束可扫描印刷偶极子柔性天线在工作频率为7.1GHz时，通过改变石墨烯薄片的阻值，从而调控阵列天线的天线方向图。
图中有：分二微带功率分配器1、四分之一阻抗变换器2、微带馈电巴伦3、等效电容4、石墨烯薄片5、聚酰亚胺基板6、槽线7、矩形槽8、截断的金属地9、印刷偶极子天线单元10。
具体实施方式
本发明基于石墨烯的波束可扫描印刷偶极子柔性天线包括一分二微带功率分配器1、四分之一阻抗变换器2、微带馈电巴伦3、等效电容4、石墨烯薄片5、聚酰亚胺基板6、槽线7、矩形槽8、截断的金属地9、印刷偶极子天线单元10；在聚酰亚胺基板6上表面的下端设有一分二微带功率分配器1，四分之一波长阻抗变换器2位于聚酰亚胺基板6的中部且与一分二微带功率分配器1连接，在四分之一波长阻抗变换器2的上部连接微带馈电巴伦3，在所述的一分二微带功率分配器1的右侧支路引入等效电容4，且在所述等效电容4中引入石墨烯薄片5，在所述的聚酰亚胺基板6下表面是截断的金属地9，在所述截断的金属地9上部刻有槽线7和矩形槽8，在所述截断的金属地9上的槽线7的上端接有印刷偶极子天线单元10。
所述的基于石墨烯的波束可扫描印刷偶极子柔性天线为三层结构，顶层分别由一分二微带功率分配器、四分之一波长阻抗变换器和微带馈电巴伦组成，中间层是厚度为0.275mm的聚酰亚胺基板，底层由刻有槽线和矩形槽的截断金属地和印刷偶极子天线单元组成。
所述的一分二微带功率分配器由一段50欧姆的微带线由天线的馈源引出，再接30.9欧姆的四分之一波长阻抗变换器后，分别接到特性阻抗为79欧姆和25欧姆的左右两侧的微带馈电线上，最后再接至微带馈电巴伦端，对天线单元进行馈电。
所述的连接在右侧微带馈电分支上的等效电容是由一个微带等效电容构成，在等效电容的末端微带枝节处有金属化通孔连接至聚酰亚胺基板下表面的截断金属地上，在等效电容中引入石墨烯薄片，石墨烯薄片的宽度与微带枝节的宽度相同，均为1.2mm，石墨烯薄片的长度为6.42mm。
所述的截断的金属地在聚酰亚胺基板的下表面，在截断的金属地靠天线单元一侧，依次刻蚀有槽线结构和矩形槽结构，分别起到调节阻抗匹配和给天线单元馈电的作用。
所述的印刷偶极子天线单元为阵列天线的辐射单元，由两个印刷半波偶极子天线单元构成，所述的印刷偶极子天线单元的振子臂长12.5mm，宽为2.5mm。
下面结合说明书附图和具体实施实例对本发明作进一步说明。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，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。
如图1所示，基于石墨烯的波束扫描印刷偶极子柔性阵列天线，包括一分二微带功率分配器1，四分之一波长阻抗变换器2，微带馈电巴伦3,，等效电容4，石墨烯薄片5，聚酰亚胺基板6，截断的金属地9，槽线7，矩形槽8和印刷偶极子天线单元10。
基于石墨烯的波束扫描印刷偶极子柔性阵列天线的介质基板采用的是聚酰亚胺柔性基板，其厚度为0.275mm。如图2所示，基于石墨烯的波束扫描印刷偶极子柔性阵列天线的介质基板上表面由天线馈源端口开始依次是50欧姆微带馈线，然后通过四分之一波长阻抗变换器2连接至一分二微带功率分配器1的两端上，为了等功率馈电给天线单元，其中一分二微带功率分配器1的左侧支路特性阻抗为79欧姆，右侧支路特性阻抗为25欧姆。一分二微带功率分配器1的两侧支路再分别由四分之一波长微带阻抗变换段接至微带馈电巴伦3，最终给印刷偶极子天线单元10进行馈电。
基于石墨烯的波束扫描印刷偶极子柔性阵列天线的波束指向调控主要是通过一分二微带功率分配器1的右侧支路上引入等效电容4来实现的，如图2所示，等效电容4由微带线组成的叉指电容和石墨烯薄片5构成，并且在等效电容4的末端枝节处有连接至底面金属地9的金属化通孔。
基于石墨烯的波束扫描印刷偶极子柔性阵列天线的聚酰亚胺基板6下表面由截断的金属地9和印刷偶极子天线单元10组成，如图3所示，在截断的金属地9上方刻蚀有槽线7和矩形槽8，用来对天线单元进行馈电和阻抗匹配，在金属地截断处一侧有印刷偶极子天线单元10，作为柔性阵列天线的辐射体。
基于石墨烯的波束扫描印刷偶极子柔性阵列天线的介质基板部分为聚酰亚胺材料，可以实现天线的柔性功能，等效电容中引入了石墨烯薄片材料，用来实现调节天线单元的馈电相位，对于该实施例，除了介质部分和石墨烯薄片外，其余馈电部分和天线辐射单元部分均采用金属导体材料。
图4所示的是实施例的波束可扫描印刷偶极子柔性天线，通改变石墨烯薄片的阻值，从而调控阵列天线的天线方向图。给石墨烯薄片的两端分别接外部偏置电压的正负极，从而通过调节偏置电压，进而改变石墨烯的电导率，以此调节石墨烯薄片的阻值，间接的改变等效电容的电容值，从而对右侧印刷偶极子天线单元的馈电相位进行调控，实现动态调控偶极子柔性阵列天线的波束指向，该实施例可以实现在工作频率为7.1GHz时，石墨烯阻值从20欧姆调节到500欧姆时，阵列天线的辐射波束实现20°范围内的动态连续扫描。

Claims (6)

1.一种基于石墨烯的波束可扫描印刷偶极子柔性天线，其特征在于：该柔性天线包括一分二微带功率分配器(1)、四分之一波长阻抗变换器(2)、微带馈电巴伦(3)、等效电容(4)、石墨烯薄片(5)、聚酰亚胺基板(6)、槽线(7)、矩形槽(8)、截断的金属地(9)、印刷偶极子天线单元(10)；在聚酰亚胺基板(6)上表面的下端设有一分二微带功率分配器(1)，四分之一波长阻抗变换器(2)位于聚酰亚胺基板(6)的中部且与一分二微带功率分配器(1)连接，在四分之一波长阻抗变换器(2)的上部连接微带馈电巴伦(3)，在所述的一分二微带功率分配器(1)的右侧支路引入等效电容(4)，且在所述等效电容(4)中引入石墨烯薄片(5)，在所述的聚酰亚胺基板(6)下表面是截断的金属地(9)，在所述截断的金属地(9)上部刻有槽线(7)和矩形槽(8)，在所述截断的金属地(9)上的槽线(7)的上端接有印刷偶极子天线单元(10)。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯的波束可扫描印刷偶极子柔性天线，其特征在于：所述印刷偶极子天线单元(10)，进行馈电相位的改变，主要是通过所述的等效电容(4)和石墨烯薄片(5)结合来实现的，所述的等效电容(4)通过线宽由宽变窄的微带过渡线与右侧微带枝节进行连接，所述等效电容(4)的末端为短路枝节，通过金属过孔与所述的聚酰亚胺基板(6)下表面截断的金属地(9)相连，所述的石墨烯薄片(5)加载在等效电容(4)中。
3.根据权利要求1所述的基于石墨烯的波束可扫描印刷偶极子柔性天线，其特征在于：在所述的截断的金属地(9)上刻蚀有互相连接的槽线(7)和矩形槽(8)，槽线(7)的长度为17.53mm，宽度为0.9mm，矩形槽(8)的长度为6mm，宽度为9mm。
4.根据权利要求1所述的基于石墨烯的波束可扫描印刷偶极子柔性天线，其特征在于：所述的印刷偶极子天线单元(10)在聚酰亚胺基板(6)下表面的槽线(7)一侧，所述的基于石墨烯的波束可扫描印刷偶极子柔性天线由两个印刷偶极子天线单元(10)构成，所述的印刷偶极子天线单元(10)均是半波长偶极子天线单元。
5.根据权利要求1所述的基于石墨烯的波束可扫描印刷偶极子柔性天线，其特征在于：所述的聚酰亚胺基板(6)的相对介电常数为3.5，厚度为0.275mm，其它金属结构均为铜材质。
6.根据权利要求2所述的基于石墨烯的波束可扫描印刷偶极子柔性天线，其特征在于：所述的石墨烯薄片(5)由石墨烯粉末和异丙醇混合凝结而成，将石墨烯薄片(5)加载在等效电容(4)中，再通过对等效电容的微带馈电端和接地端之间加偏置电压，来调节有石墨烯薄片(5)加载的等效电容(4)的电容值。
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