CN112490644B - 一种基于石墨烯的光载微波天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于石墨烯的光载微波天线，由金属接地板、绝缘介质层、金属结构层、石墨烯薄膜贴片和光波导构成，金属结构层包括微带连接线、阻抗匹配传输线和辐射贴片。所述天线在信号光照射石墨烯贴片时，石墨烯的电导率随信号光强度而改变，从而实现将光信号转换成微波辐射信号。本发明的天线利用石墨烯光可调特性，结合石墨烯的高电子迁移率以及金属天线结构的共振性质，无需光电信号转换，即可将光信号直接转换成微波信号，硬件结构简单，速度快、尺寸小、可应用于高速无线通讯方面。

Description

一种基于石墨烯的光载微波天线

技术领域

本发明涉及微波天线技术领域，具体涉及一种基于石墨烯的光载微波天线。

背景技术

天线是整个通信系统中唯一与周围环境有耦合关系的设备，无线通信适用于基站与终端间的信息传输，通常为将传输线中的电信号转换成空间中辐射的电磁波，或者是将空间的电磁波转换成传输线中的电信号。5G等移动通信技术的发展速度远超人们的预期，光通信适合于长距离信息传输，将光信号转换成无线的微波信号是通信技术的必经步骤。

传统的光信号转换成微波信号的过程较为复杂，需要首先通过光电探测器将光信号转换成电信号，然后再对电信号进行放大、数电处理等，最后再利用电信号控制微波的发射，形成无线传输的微波信号。传统的光通信天线不仅传输过程较为复杂，而且需要的硬件较多、成本高。

石墨烯是一种在全电磁波段均可响应的薄膜材料，根据目前关于石墨烯全光调控方面的研究可知，已经实现高频电磁波对低频电磁波的调制。因此，如何将石墨烯用于光载微波天线，提高信号传输效率，并节省硬件和成本是本领域技术人员有待解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种基于石墨烯的光载微波天线，解决现有光载微波天线光信号转换效率不高，并且结构复杂、成本高的问题。

实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于石墨烯的光载微波天线，包括金属接地板、绝缘介质基板、微带连接线、阻抗匹配传输线、辐射贴片、石墨烯薄膜贴片以及光波导；其中，所述金属接地板和绝缘介质基板为相同大小的矩形，并贴合于一体；微带连接线、阻抗匹配传输线、辐射贴片、石墨烯薄膜贴片依次连接，并设于绝缘介质基板的上层；

所述微带连接线为微带线，一端与阻抗匹配传输线相连，另一端与载波馈源相连；所述辐射贴片为矩形，一边端部设有石墨烯薄膜贴片，与石墨烯薄膜贴片相对的另一边中部设有一个矩形槽，阻抗匹配传输线的另一端与辐射贴片矩形槽的中部相连；所述石墨烯薄膜贴片的两端设有光波导。

进一步，所述金属接地板和绝缘介质基板为相同大小的矩形，尺寸为L_1*W₁；所述微带连接线的尺寸为L_3*W₃，阻抗匹配传输线的尺寸为L_4*W₄，辐射贴片的尺寸为L_5*W₅，矩形槽的尺寸为L_2*W₂，石墨烯薄膜贴片的尺寸为L_6*W₅；金属接地板的厚度为t，中层为绝缘介质基板的厚度为h；单位：mm；

其中，L_1*W₁的尺寸范围为(25～35)×(20～30)；

L_3*W₃的尺寸范围为(2.2～3.5)×(1.5～3.5)；

L_4*W₄的尺寸范围为(8～10)×(0.4～0.65)；

L_5*W₅的尺寸范围为(10～18)×(10～18)；

L_2*W₂的尺寸范围为(2.5～4)×(0.8～2)；

L_6*W₅的尺寸范围为(0.5～2)×(10～18)；

t的尺寸范围为0.01～0.035；

h的尺寸范围为0.6～2。

进一步，所述金属接地板、微带连接线、阻抗匹配传输线和辐射贴片选用金、银、铜或铝制成。所述中间绝缘介质基板为FR-4、绝缘陶瓷或塑料。所述石墨烯薄膜贴片为单层或准单层石墨烯薄膜。

进一步，光波导的尺寸范围为(100～400)×(400～2000)，单位为nm。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明天线在信号光照射石墨烯贴片时，石墨烯的电导率随信号光强度而改变，从而实现将光信号转换成微波辐射信号。本发明的天线利用石墨烯光可调特性，结合石墨烯的高电子迁移率以及金属天线结构的共振性质，无需光电信号转换，即可直接将光信号直接转换成微波信号，硬件结构简单，速度快、尺寸小、可应用于高速无线通讯方面。

2、本发明通过将石墨烯贴片与金属辐射贴片相结合，根据石墨烯全电磁波可响应性质和光可调性质，通过信号光改变石墨烯电导率；当光信号沿着光波导传输到石墨烯薄膜区域时，石墨烯薄膜的电导率会随着信号光强度的变化而变化，石墨烯电导率的变化将导致天线辐射特性的改变，从而实现了将光信号直接转换成微波辐射信号；当光信号和微波同时作用于石墨烯薄膜上时，由于光的频率远高于微波，因此光信号将首先激发石墨烯电子跃迁，被激发的石墨烯再对微波作用，改变微波辐射特性，最终形成光信号通过调制作用转换成了微波信号。因此，大大简化了光通信天线的传输过程，提高了传输效率。

3、本发明构思巧妙、设计合理。光信号通过石墨烯层电导率对光强度的直接响应，直接将光信号转换成了电信号，无光电转换过程。通过改变石墨烯薄膜的结构尺寸和结构形状可以调节光信号调制微波信号的调制深度，改变金属辐射贴片的边长调节天线的工作频率，以及改变中间绝缘介质层材料、厚度以及金属辐射贴片的结构尺寸和结构形状，可以调节微波天线的工作频率，设计不同规格、型号的光载微波天线。

4、本发明中的光信号可为模拟信号或数字信号。

附图说明

图1为本发明基于石墨烯的光载微波天线的结构示意图；

图2为本发明基于石墨烯的光载微波天线的顶层结构(尺寸)参数图；

图3为本发明基于石墨烯的光载微波天线的截面结构(尺寸)参数图；

图4为本发明在不同石墨烯费米能级(对应不同光信号强度)下的输入反射系数S11仿真结果图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，一种基于石墨烯的光载微波天线，包括金属接地板1、绝缘介质基板2、微带连接线3、阻抗匹配传输线4、辐射贴片5、石墨烯薄膜贴片6以及光波导7。其中，微带连接线3、阻抗匹配传输线4和辐射贴片5组成金属结构层。

参见图2，所述金属接地板1和绝缘介质基板2为尺寸相同的矩形(L_1*W₁)，并贴合于一体；所述微带连接线3(L_3*W₃)、阻抗匹配传输线4(L_4*W₄)、辐射贴片5(L_5*W₅)和石墨烯薄膜贴片6(L_6*W₅)依次连接，并设于绝缘介质基板2的上层。

所述微带连接线3为50欧姆微带线，一端与阻抗匹配传输线4相连，另一端与载波馈源相连；所述辐射贴片5的形状为矩形，一边端部设有石墨烯薄膜贴片6(L_6*W₅)，与石墨烯薄膜贴片6相对的另一边中部设有一个矩形槽(L_2*W₂)，阻抗匹配传输线4的另一端与辐射贴片矩形槽的中部相连；所述石墨烯薄膜贴片6的两端设有光波导7。

其中，所述金属接地板1和金属结构层(微带连接线3、阻抗匹配传输线4和辐射贴片5)选用金、银、铜或铝制成；中间绝缘介质基板为FR-4、绝缘陶瓷或塑料；石墨烯薄膜贴片6为单层或准单层石墨烯薄膜。

参见图3，基于石墨烯的光载微波天线，底层为金属接地板1，厚度为t；中层为绝缘介质基板2，厚度为h；上层为金属结构层(微带连接线3、阻抗匹配传输线4和辐射贴片5)，厚度为t，以及石墨烯薄膜贴片6以及光波导7。

实施例1

一种基于石墨烯的光载微波天线，基本尺寸(单位：mm)如下：

其

中，光波导7高度为200nm，宽为400nm。该微带贴片天线的绝缘介质基板2的材料为厚度1.5mm的FR-4，其中相对介电常数为4.3，损耗角正切值为0.025；金属接地板1、微带连接线3、阻抗匹配传输线5和辐射贴片5均为铜材料；天线的微带线馈电结构采用侧馈方式，输入阻抗为50欧姆，很好地实现了阻抗匹配。

参见图4，为本发明在不同石墨烯费米能级(对应不同光信号强度)下的输入反射系数S11仿真结果图。本实施中的石墨烯的光载微波天线工作频率为5GHz。当从光波导7输入的信号光强度随时间变化时，石墨烯的费米能级跟随光强度产生相应变化，引起石墨烯电导率变化，最终使石墨烯的辐射性能发生变化。结果表明，E_f由0.1eV变化到0.5eV，天线的反射系数S11分别为-12.85dB、-19.26dB、-25.98dB、-32.43dB、-45.57dB，说明天线的辐射强度随入射光强度变化而变化，实现了将光信号直接转换为电信号的过程。

实施例2-5

基本尺寸(单位：mm)如下：

实施例

L<sub>1*</sub>W<sub>1</sub>

L<sub>2*</sub>W<sub>2</sub>

L<sub>3*</sub>W<sub>3</sub>

L<sub>4*</sub>W<sub>4</sub>

L<sub>5*</sub>W<sub>5</sub>

L<sub>6*</sub>W<sub>5</sub>

t

h

实施例2

31.2*28

2.5*1

2.5*1.9

9.5*0.5

14.2*11.8

05*11.8

0.018

0.06

实施例3

30.7*20

3.5*1

2.5*1.9

10*0.6

10*10

1*10

0.018

1

实施例4

27.7*22

3.5*2

2.8*2.9

9*0.65

14*18

1.5*18

0.035

1.5

实施例5

26.5*22

3.2*1.4

3.5*3.5

8.5*0.48

15.6*13.8

1.2*13.8

0.026

2

实施例	光波导的尺寸范围为(100～400)×(400～2000)
		实施例2	400×2000
实施例3	100×400
		实施例4	280×1000
实施例5	300×1600

尺寸单位为nm。本实施中的石墨烯的光载微波天线工作频率为3.5～6GHz。

其中，所述金属接地板1和金属结构层(微带连接线3、阻抗匹配传输线4和辐射贴片5)选用金、银、铜或铝制成；中间绝缘介质基板为FR-4、绝缘陶瓷或塑料；石墨烯薄膜贴片6为单层或准单层石墨烯薄膜。

经过实验验证，采用实施例2～5的天线，石墨烯的光载微波天线工作频率为3.5～6GHz。同样辐射强度随入射光强度变化而变化，实现了将光信号直接转换为电信号的过程。即当从光波导7输入的信号光强度随时间变化时，石墨烯的费米能级跟随光强度产生相应变化，引起石墨烯电导率变化，最终使石墨烯的辐射性能发生变化。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于石墨烯的光载微波天线，其特征在于，包括金属接地板（1）、绝缘介质基板（2）、微带连接线（3）、阻抗匹配传输线（4）、辐射贴片（5）、石墨烯薄膜贴片（6）以及光波导（7）；其中，所述金属接地板（1）和绝缘介质基板（2）为相同大小的矩形，并贴合于一体；微带连接线（3）、阻抗匹配传输线（4）、辐射贴片（5）、石墨烯薄膜贴片（6）依次连接，并设于绝缘介质基板（2）的上层；

所述微带连接线（3）为微带线，一端与阻抗匹配传输线（4）相连，另一端与载波馈源相连；所述辐射贴片（5）为矩形，一边端部设有石墨烯薄膜贴片（6），与石墨烯薄膜贴片（6）相对的另一边中部设有一个矩形槽，阻抗匹配传输线（4）的另一端与辐射贴片矩形槽的中部相连；所述石墨烯薄膜贴片（6）的两端设有光波导（7）。

2.根据权利要求1所述基于石墨烯的光载微波天线，其特征在于，所述金属接地板（1）和绝缘介质基板（2）为相同大小的矩形，尺寸为L_1*W₁；所述微带连接线（3）的尺寸为L_3*W₃，阻抗匹配传输线（4）的尺寸为L_4*W₄，辐射贴片（5）的尺寸为L_5*W₅，矩形槽的尺寸为L_2*W₂，石墨烯薄膜贴片（6）的尺寸为L_6*W₅；金属接地板（1）的厚度为t，中层为绝缘介质基板（2）的厚度为h；单位：mm；

其中，L_1*W₁的尺寸范围为（25~35）×（20~30）；

L_3*W₃的尺寸范围为（2.2~3.5）×（1.5~3.5）；

L_4*W₄的尺寸范围为（8~10）×（0.4~0.65）；

L_5*W₅的尺寸范围为（10~18）×（10~18）；

L_2*W₂的尺寸范围为（2.5~4）×（0.8~2）；

L_6*W₅的尺寸范围为（0.5~2）×（10~18）；

t的尺寸范围为0.01~0.035；

h的尺寸范围为0.6~2。

3.根据权利要求1所述基于石墨烯的光载微波天线，其特征在于，所述金属接地板（1）、微带连接线（3）、阻抗匹配传输线（4）和辐射贴片（5）选用金、银、铜或铝制成。

4.根据权利要求1所述基于石墨烯的光载微波天线，其特征在于，所述中间绝缘介质基板（2）为FR-4、绝缘陶瓷或塑料。

5.根据权利要求1所述基于石墨烯的光载微波天线，其特征在于，所述石墨烯薄膜贴片（6）为单层或准单层石墨烯薄膜。

6.根据权利要求1所述基于石墨烯的光载微波天线，其特征在于，光波导的尺寸范围为(100~400)×(400~2000)，单位为nm。

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