CN112467341B - 一种基于石墨烯的频率可调谐车载天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯的频率可调谐车载天线，包括由下至上依次设置的天线介质层、天线石墨烯‑金属辐射层，其中，所述天线介质层的材质为透明玻璃基板；所述天线石墨烯金属辐射层包括一对用于构成偶极子天线的且之间具有间隔的圆形石墨烯‑金属辐射贴片，每个圆形石墨烯‑金属辐射贴片包括石墨烯调谐部分以及金属辐射体，所述石墨烯调谐部分设在偶极子天线电流最大的部分。优点：本发明实现小型化及频率可调谐性的同时又平衡了传统金属天线的辐射性能。并且本发明天线的介质层的材质为方形的透明玻璃基板，因此本发明天线可以很容易地印刷在汽车玻璃上，使得本发明天线在汽车通信即汽车传感器上具有很大的应用潜力。

Description

一种基于石墨烯的频率可调谐车载天线
技术领域
本发明涉及一种基于石墨烯的频率可调谐车载天线，属于车载天线技术领域。
背景技术
自从第二次工业革命以来，汽车有了巨大的发展。如今，汽车已经成为不可或缺的，随着信息和通信技术的快速发展，人们对汽车的关注不再仅仅是质量。汽车革命的下一个前沿是在车辆上装备无线通讯设备。
随着汽车的飞速发展，汽车上的传感器越来越多。目前一辆汽车上的传感器大约有100个，随着汽车的智能化和自动化程度的提高，传感器的数量预计到2020年将翻一番，因此，将纳米天线应用于汽车通信是非常必要的。在太赫兹频段，天线将被小型化，而传统的金属天线由于金属的低电子迁移率和的巨大衰减，使得小型化几乎不能实现。幸运的是，石墨烯基元件的发展表明石墨烯的高电子迁移率非常适合于超高频应用，并且石墨烯在天线结构中的应用还带来了其他卓越的性能，如高效的动态调谐、极度小型化，甚至是机械的灵活性和透明度。然而，石墨烯电导率在太赫兹波段存在巨大的虚部，导致石墨烯的大量内部电流转化为热能从而严重影响了天线的效率，这严重阻碍了石墨烯天线在车载天线上的应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于石墨烯的频率可调谐车载天线。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于石墨烯的频率可调谐车载天线，包括由下至上依次设置的天线介质层、天线石墨烯-金属辐射层，其中，
所述天线介质层的材质为透明玻璃基板；
所述天线石墨烯金属辐射层包括一对用于构成偶极子天线的且之间具有间隔的圆形石墨烯-金属辐射贴片，每个圆形石墨烯-金属辐射贴片包括石墨烯调谐部分以及金属辐射体，所述石墨烯调谐部分设在偶极子天线电流最大的部分。
进一步的，所述圆形石墨烯-金属辐射贴片的半径为20-30μm，两个圆形石墨烯-金属辐射贴片之间的距离为3-10μm。
进一步的，所述石墨烯调谐部分为一个小于所述圆形石墨烯-金属辐射贴片的半圆面积的弧形，且弧形的外边缘为圆形石墨烯-金属辐射贴片的外边缘一部分，圆形石墨烯-金属辐射贴片的外边缘的另一部分为金属辐射体的外边缘，金属辐射体的内边缘与所述弧形的内边缘重合。
进一步的，所述弧形的内边缘圆弧半径为25-35μm，弧形的内边缘与外边缘所对应的圆的圆心距离为10-15μm。
进一步的，所述金属辐射体的材质为良导体金或银。
进一步的，所述天线介质层的材质为方形的透明玻璃基板。
进一步的，通过两个圆形石墨烯-金属辐射贴片中的石墨烯调谐部分相对设置实现偶极子天线的辐射极子在电流最大的部分采用石墨烯材料。
本发明所达到的有益效果：
本发明的基于石墨烯的频率可调谐车载天线实现小型化及频率可调谐性的同时又平衡了传统金属天线的辐射性能。并且本发明天线的介质层的材质为方形的透明玻璃基板，因此本发明天线可以很容易地印刷在汽车玻璃上，使得本发明天线在汽车通信即汽车传感器上具有很大的应用潜力。
附图说明
图1为本发明实施例的基于石墨烯的频率可调谐车载天线的立体结构图；
图2为本发明实施例的基于石墨烯的频率可调谐车载天线的不同化学式下石墨烯表面阻抗图；
图3为本发明实施例的基于石墨烯的频率可调谐车载天线的表面电流图；
图4为本发明实施例的基于石墨烯的频率可调谐车载天线的不同化学式下S11参数仿真结果图；
图5(a)为本发明实施例的基于石墨烯的频率可调谐车载天线的辐射方向图E面(与电场矢量平行，沿波束最大值方向通过天线的平面)，图5(b)为本发明实施例的基于石墨烯的频率可调谐车载天线的辐射方向图H面(与磁场矢量平行，沿波束最大值方向通过天线的平面)。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“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发明和简化描述，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发明的限制。
如图1所示，一种基于石墨烯的频率可调谐车载天线，包括由下至上依次设置天线介质层10、天线石墨烯-金属辐射层，其中，
所述天线石墨烯金属辐射层包括一对构成本发明偶极子天线的圆形石墨烯-金属辐射贴片，每个圆形石墨烯-金属辐射贴片由石墨烯调谐部分21以及金属辐射体22构成。
石墨烯调谐部分21与金属辐射体22共同构成一个半径为24μm圆形辐射面，两个圆形辐射面共同构成本发明偶极子天线，两个圆形辐射面极子的距离为5μm。所述石墨烯调谐部分21外边缘圆弧为半径为24μm，内边缘圆弧为半径为28μm，两圆弧的圆心距离为12μm。金属辐射体22为整个辐射贴片层圆形除去石墨烯调谐部分的剩余部分，石墨烯调谐部分21的内圆弧与金属辐射体22外边相连，共同构成本发明天线石墨烯-金属辐射层。所述介质层10的材质为方形的透明玻璃基板，介电常数为3.75，所述介质基板厚度为20μm。
工作过程是，通过改变偶极子天线的圆形辐射贴片上施加在石墨烯调谐部分21的偏置电压，从而改变石墨烯调谐部分21的化学势，从而改变本发明偶极子圆形辐射贴片的表面阻抗。由于石墨烯是印刷在石英衬底上10的，衬底石墨烯之间的界面可以用二极管电容很好地近似。因此，通过改变加载在石墨烯上的偏置电压，可以调节等效电容的值，从而改变匹配趋势，进而实现本发明偶极子天线的频率可调谐。所用石墨烯材料在偶极子天线电流最大的部分，进一步增强了本发明偶极子的频率可调谐性能。并且由于本发明偶极子天线的金属辐射体22使用了传统的金属材料，又极大的平衡了传统金属天线的辐射性能。
参见图2，所示为不同化学势下石墨烯表面阻抗图。实验表明，在尺寸大于100nm的结构中，可以忽略边缘效应对石墨烯电导率的影响，将电导率建模为无限石墨烯薄膜。无限石墨烯薄膜可采用等效表面电导率建模，等效表面电导率可采用Kubo形式计算。表面电导率可以用局部的形式表示：
Figure BDA0002770485010000041
式中T为温度，设T为室温300K，τ为弛豫时间，设τ为1ps，μc为化学势，设为零静电偏置μc＝0，kB为波尔兹曼常数，约等于1.3807×10-23焦耳每开(J/K)，e为电子的电荷量，约为1.60×10-19库伦(C)。
在一定的频率下，化学势μc的增大会导致表面电导率的实部增大，表面电导率的虚部减小。因此可以通过改变施加在本发明偶极子的石墨烯调谐部分21上的偏置电压，从而改变石墨烯调谐部分21的化学势，改变石墨烯的表面阻抗。因此，通过改变加载在石墨烯上的偏置电压，可以调节等效电容的值，从而改变匹配趋势，实现本发明偶极子天线在不同频段的匹配，进而实现本发明偶极子天线的频率可调谐。
参见图3，所示为本发明车载天线的表面电流图，可以看到天线的表面电流集中在石墨烯调谐部分21，从而使得本发明车载天线的频率调谐效果达到最佳。
参见图4，所示为本发明车载天线不同化学式下S11参数仿真结果图，本发明天线采用CST微波工作室进行仿真。通过改变石墨烯的化学势(0.13-0.36eV)，可以得到天线的不同参数S11。在实际应用中，可以从外加直流偏压中得到不同的化学势。本发明圆形偶极子天线的工作频率约为0.32～0.53THz。天线的工作频率随化学势的增大而增大。因此本发明天线具有频率可调谐的性能。
参见图5，所示为本发明基于石墨烯的频率可调谐车载天线的辐射方向图，正如预期的那样，其辐射模式与传统金属实现的辐射模式相当。结果表明，该天线在不同的化学势下具有几乎相同的辐射方向图，实现了全向辐射方向图，指向性为2dBi。在本发明实例中我们只展示了化学势为0.19eV的辐射模式。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种基于石墨烯的频率可调谐车载天线，其特征在于，包括由下至上依次设置的天线介质层（10）、天线石墨烯-金属辐射层，其中，
所述天线介质层（10）的材质为透明玻璃基板；
所述天线石墨烯- 金属辐射层包括一对用于构成偶极子天线的且之间具有间隔的圆形石墨烯-金属辐射贴片，每个圆形石墨烯-金属辐射贴片包括石墨烯调谐部分（21）以及金属辐射体（22），所述石墨烯调谐部分（21）设在偶极子天线电流最大的部分；
所述石墨烯调谐部分（21）为一个小于所述圆形石墨烯-金属辐射贴片的半圆面积的弧形，且弧形的外边缘为圆形石墨烯-金属辐射贴片的外边缘一部分，圆形石墨烯-金属辐射贴片的外边缘的另一部分为金属辐射体（22）的外边缘，金属辐射体（22）的内边缘与所述弧形的内边缘重合。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯的频率可调谐车载天线，其特征在于，
所述圆形石墨烯-金属辐射贴片的半径为20-30μm，两个圆形石墨烯-金属辐射贴片之间的距离为3-10μm。
3.根据权利要求1所述的基于石墨烯的频率可调谐车载天线，其特征在于，
所述弧形的内边缘圆弧半径为25-35μm，弧形的内边缘与外边缘所对应的圆的圆心距离为10-15μm。
4.根据权利要求1所述的基于石墨烯的频率可调谐车载天线，其特征在于，所述金属辐射体（22）的材质为良导体金或银。
5.根据权利要求1所述的基于石墨烯的频率可调谐车载天线，其特征在于，所述天线介质层（10）的材质为方形的透明玻璃基板。
6.根据权利要求1所述的基于石墨烯的频率可调谐车载天线，其特征在于，所述偶极子天线的辐射极子在电流最大的部分采用石墨烯材料，通过两个圆形石墨烯-金属辐射贴片中的石墨烯调谐部分（21）相对设置实现。
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