CN112768910A - 基于石墨烯-金属结构的可重构太赫兹天线及调频方法 - Google Patents

基于石墨烯-金属结构的可重构太赫兹天线及调频方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于石墨烯‑金属结构的可重构太赫兹天线及调频方法。本发明天线采用一种新型的混合石墨烯‑金属结构辐射面以改进传统的纯金属天线，所述混合石墨烯‑金属结构辐射面包括石墨烯调谐部分以及金属辐射体。本发明天线可以通过改变天线辐射面的石墨烯调谐部分的电场偏置进行动态重构，且具有较低的反射系数。此外，由于本发明天线的辐射贴片保留了传统的金属材料，又极大的平衡了传统金属天线的辐射性能。提出的混合石墨烯‑金属可重构天线有望使渐变平面缝隙天线在更高频段使用，并使石墨烯为太赫兹天线的设计和应用带来更多的可能性和扩展空间。

Description

基于石墨烯-金属结构的可重构太赫兹天线及调频方法
技术领域
本发明属于太赫兹天线领域，涉及一种基于石墨烯-金属结构的可重构太赫兹天线及调频方法。
背景技术
超宽带天线近年来在生物医学检测、雷达系统和无线通信等领域得到了越来越广泛的应用。其中，渐变平面缝隙天线由于其高定向辐射模式、超宽带宽和低交叉极化，被视为实现超宽带技术的最佳选择之一。
太赫兹通信作为一种关键的无线技术，由于其良好的图像分析能力和独特的穿透性，使其在经典的网络场景以及新一代的无线通信中有着广泛的应用。近年来，渐变平面缝隙天线的性能向高增益、小型化扩展，然而，渐变平面缝隙天线很少在太赫兹频段使用。在太赫兹频段，因为金属的电子的迁移率低、衰减大，传统的金属天线几乎无法实现。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，石墨烯的电导率在太赫兹波段存在巨大的虚部，导致石墨烯的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太赫兹天线上的应用。
针对目前现有技术中存在的上述缺陷，实有必要进行研究，以提供一种方案，解决现有技术中存在的缺陷。因此，提出了一种基于石墨烯-金属结构的可重构太赫兹天线及调频方法。
发明内容
本发明的一个目的是针对现有技术的不足，提供一种基于石墨烯-金属结构的可重构太赫兹天线。
本发明基于石墨烯-金属结构的可重构天线包括石墨烯-金属辐射层、介质板、微带馈电层；
所述石墨烯-金属辐射层在介质板的顶层，包括石墨烯调谐部分、石墨烯贴片、金属贴片；金属贴片为两个轴对称的梳形结构贴片单元构成，梳形结构贴片单元的一端连接，梳形结构贴片单元的梳齿侧朝外；石墨烯贴片位于梳形结构贴片单元两梳齿间的缝隙位置；石墨烯调谐部分设置在两梳形结构贴片单元梳背间，其结构为类“V”字形；类“V”字形石墨烯调谐部分内形成喇叭状缝隙；石墨烯调谐部分的尖端内侧开有一缺口的圆形槽，对天线的馈电起到阻抗匹配作用；
石墨烯调谐部分的类“V”字形两臂是自圆形槽结构开始由粗变细的渐变结构，对天线所辐射的电磁波起到引向作用；
所述微带馈电层在介质板的底层，包括馈电结构、微带传输线；馈电结构位于石墨烯调谐部分内喇叭状缝隙最窄部分的下方，用以实现缝隙耦合馈电；
作为优选，馈电结构为扇形结构，主要起到终端负载匹配作用；
微带传输线的一端与馈电结构连接，另一端延伸至介质板边缘。
作为优选，圆形槽的直径为1/8工作频率波长；
作为优选，类“V”字形石墨烯调谐部分内的喇叭状缝隙宽度为指数渐变，最窄宽度为1/2最高工作频率波长，最大宽度为1/2最低工作频率波长。
作为优选，石墨烯调谐部分宽度决定天线的可调谐程度以及辐射增益，为了平衡两个性能的程度，其最宽部分宽度为1/16中频工作频率波长。
作为优选，位于天线两侧的石墨烯贴片增强天线增益同时进一步提高调谐性能，石墨烯贴片为矩形状，贴片的宽度以及间隔为1/16中频工作频率波长。
作为优选，所述金属结构的材质为良导体金或铜。
作为优选，所述介质板的材质为SiO2，厚度为12.5μm。
本发明天线的最大工作电流位于天线喇叭状缝隙尖端边缘部分，而石墨烯调谐部分位于喇叭状缝隙边缘部分，使得石墨烯结构对天线的性能进行最大程度的调谐。
本发明的另一个目的是基于石墨烯-金属结构的可重构天线的频率调谐方法，具体是通过改变石墨烯调谐部分的化学势，从而改变辐射贴片的表面阻抗，进而调节介质层与石墨烯调谐部分之间等效电容的值，从而等效于改变天线的缝隙槽渐变结构的开口大小，而开口大小与天线的工作频率相关，最终实现天线的频率可调谐。
作为优选，通过改变石墨烯调谐部分的偏置电压，进而改变石墨烯调谐部分的化学势。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明天线通过类“V”字形石墨烯调谐部分进行天线的耦合馈电以及能量辐射。
本发明辐射层由石墨烯结构和金属结构构成，石墨烯结构为天线提供了独特的可调谐性能，金属结构使得天线保留了传统天线的辐射性能。石墨烯调谐部分实现调谐功能，石墨烯贴片实现增强增益并进一步提高调谐性能。
相比于现有技术，本发明采用特殊的石墨烯-金属辐射层使得天线具备了石墨烯的可重构特性，同时石墨烯的等离子激元作用于天线的辐射渐变结构，也为天线带来了更低的反射系数，而后分布于天线两旁石墨烯结构也进一步提高了天线的增益。
本发明通过改变天线的石墨烯-金属辐射层上施加在石墨烯结构的偏置电压，从而改变石墨烯材料的化学势，改变辐射贴片的表面阻抗。由于石墨烯是印刷在SiO2衬底上的，衬底与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，从而等效于改变天线的缝隙槽渐变结构的开口大小，而开口大小与天线的工作频率相关，最终实现天线的频率可调谐。
本发明石墨烯材料在天线电流最大的部分，进一步增强了本发明天线的频率可调谐性能。由于本发明天线的辐射贴片保留了传统的金属材料，又极大地平衡了传统金属天线的辐射性能。
本发明混合石墨烯-金属可重构天线有望使Vivaldi天线在更高频段使用，并使石墨烯为太赫兹天线的设计和应用带来更多的可能性和扩展空间。
附图说明
图1是本发明实施例的基于石墨烯-金属结构的可重构太赫兹天线的正面结构图。
图2是本发明实施例的基于石墨烯-金属结构的可重构太赫兹天线的背面结构图。
图3是本发明实施例的基于石墨烯-金属结构的可重构太赫兹天线的不同化学势下石墨烯表面阻抗图。
图4是本发明实施例的基于石墨烯-金属结构的可重构太赫兹天线的表面电流图。
图5是本发明实施例的基于石墨烯-金属结构的可重构太赫兹天线的不同化学势下S11参数仿真结果图。
图6是本发明实施例的基于石墨烯-金属结构的可重构太赫兹天线的不同化学势下增益参数仿真结果图。
图7是本发明实施例的基于石墨烯-金属结构的可重构太赫兹天线的有无增益增强结构的增益参数仿真对比。
图8是本发明实施例的基于石墨烯-金属结构的可重构太赫兹天线的辐射方向图。
图中标记：石墨烯调谐部分11、石墨烯贴片12、金属贴片13、介质板20、微带馈电层30。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
参见图1，本发明基于石墨烯-金属结构的可重构天线包括石墨烯-金属辐射层、介质板20、微带馈电层30；
石墨烯调谐部分的类“V”字形两臂是自圆形槽结构开始由粗变细的渐变结构，对天线所辐射的电磁波起到引向作用；
参见图2，所述石墨烯-金属辐射层在介质板20的顶层，包括石墨烯调谐部分11、石墨烯贴片12、金属贴片13；金属贴片为两个轴对称的梳形结构贴片单元构成，梳形结构贴片单元的一端连接，梳形结构贴片单元的梳齿侧朝外；石墨烯贴片位于梳形结构贴片单元两梳齿间的缝隙位置；石墨烯调谐部分设置在两梳形结构贴片单元梳背间，其结构为类“V”字形；类“V”字形石墨烯调谐部分内形成喇叭状缝隙；石墨烯调谐部分的尖端内侧开有一缺口的圆形槽，对天线的馈电起到阻抗匹配作用；圆形槽的缺口与喇叭状缝隙最窄部分连通。
所述微带馈电层30在介质板20的底层，包括馈电结构、微带传输线；馈电结构位于石墨烯调谐部分内喇叭状缝隙最窄部分的下方，用以实现缝隙耦合馈电；微带传输线的一端与馈电结构连接，另一端延伸至介质板边缘。
本发明实施例的另一种方式，馈电结构为扇形结构，主要起到终端负载匹配作用；
作为优选，圆形槽的直径为1/8工作频率波长；
本发明实施例的另一种方式，类“V”字形石墨烯调谐部分内的喇叭状缝隙宽度为指数渐变，最窄宽度为1/2最高工作频率波长，最大宽度为1/2最低工作频率波长。
本发明实施例的另一种方式，石墨烯调谐部分宽度决定天线的可调谐程度以及辐射增益，为了平衡两个性能的程度，其最宽部分宽度为1/16中频工作频率波长。
本发明实施例的另一种方式，位于天线两侧的石墨烯贴片增强天线增益同时进一步提高调谐性能，石墨烯贴片为矩形状，贴片的宽度以及间隔为1/16中频工作频率波长。
本发明实施例的另一种方式，所述金属结构的材质为良导体金或铜。
本发明实施例的另一种方式，所述介质板的材质为SiO2，厚度为12.5μm。
本发明天线的最大工作电流位于天线喇叭状缝隙尖端边缘部分，而石墨烯调谐部分位于喇叭状缝隙边缘部分，使得石墨烯结构对天线的性能进行最大程度的调谐。
本发明通过改变石墨烯调谐部分11的化学势，从而改变辐射贴片的表面阻抗，进而调节介质层与石墨烯调谐部分之间等效电容的值，从而等效于改变天线的缝隙槽渐变结构的开口大小，而开口大小与天线的工作频率相关，最终实现本发明天线的频率可调谐。
天线的结构性能决定了天线的最大工作电流位于天线的缝隙槽结构边缘部分，而石墨烯调谐部分11位于整个缝隙槽结构的边缘部分可以使得石墨烯结构对天线的性能进行最大程度的调谐。
参见图3，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 BDA0002869703120000051
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。
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11上的偏置电压，从而改变石墨烯材料的化学势，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，从而等效于改变天线的缝隙槽渐变结构的开口大小，而开口大小与天线的工作频率相关，最终实现本发明天线的频率可调谐。
参见图4，所示为本发明天线的表面电流图，可以看到天线的表面电流集中在石墨烯调谐部分11，从而使得本发明天线的频率调谐效果达到最佳。
参见图5，所示为本发明天线不同化学势下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。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6，所示为本发明天线不同化学势下增益参数仿真结果图，结果表明本发明天线不仅具有石墨烯天线的可调谐性能，同时保留了传统金属天线的辐射性能。
所述石墨烯-金属辐射层不仅使得发明天线具备了石墨烯的可重构特性，同时石墨烯的等离子激元作用于天线的辐射渐变结构，也为发明天线带来了更低的反射系数。
参见图7，所示为有无增强增益的石墨烯结构的发明天线增益结果对比，结果表明，石墨烯结构的添加有效提升了天线增益，工作频段内最大提升为2.2dBi。
参见图8，所示为本发明基于石墨烯-金属结构的可重构太赫兹天线的辐射方向图，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，因此，在本发明实例中只展示了化学势为0.50eV的辐射模式。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于石墨烯-金属结构的可重构太赫兹天线，其特征在于包括石墨烯-金属辐射层、介质板、微带馈电层；
所述石墨烯-金属辐射层在介质板的顶层，包括石墨烯调谐部分、石墨烯贴片、金属贴片；金属贴片为两个轴对称的梳形结构贴片单元构成，梳形结构贴片单元的一端连接，梳形结构贴片单元的梳齿侧朝外；石墨烯贴片位于梳形结构贴片单元两梳齿间的缝隙位置；石墨烯调谐部分设置在两梳形结构贴片单元梳背间，其结构为类“V”字形；类“V”字形石墨烯调谐部分内形成喇叭状缝隙；石墨烯调谐部分的尖端内侧开有一缺口的圆形槽，对天线的馈电起到阻抗匹配作用；
所述微带馈电层在介质板的底层，包括馈电结构、微带传输线；馈电结构位于石墨烯调谐部分内喇叭状缝隙最窄部分的下方，用以实现缝隙耦合馈电。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯-金属结构的可重构太赫兹天线，其特征在于石墨烯调谐部分的类“V”字形两臂是自圆形槽结构开始由粗变细的渐变结构，对天线所辐射的电磁波起到引向作用。
3.根据权利要求1所述的基于石墨烯-金属结构的可重构太赫兹天线，其特征在于馈电结构为扇形结构，主要起到终端负载匹配作用；微带传输线的一端与馈电结构连接，另一端延伸至介质板边缘。
4.根据权利要求1所述的基于石墨烯-金属结构的可重构太赫兹天线，其特征在于圆形槽的直径为1/8工作频率波长。
5.根据权利要求2所述的基于石墨烯-金属结构的可重构太赫兹天线，其特征在于类“V”字形石墨烯调谐部分内的喇叭状缝隙宽度为指数渐变，最窄宽度为1/2最高工作频率波长，最大宽度为1/2最低工作频率波长。
6.根据权利要求1所述的基于石墨烯-金属结构的可重构太赫兹天线，其特征在于石墨烯调谐部分宽度决定天线的可调谐程度以及辐射增益，其最宽部分宽度为1/16中频工作频率波长。
7.根据权利要求1所述的基于石墨烯-金属结构的可重构太赫兹天线，其特征在于石墨烯贴片为矩形状，贴片的宽度以及间隔为1/16中频工作频率波长。
8.根据权利要求1所述的基于石墨烯-金属结构的可重构太赫兹天线，其特征在于所述金属结构的材质为良导体金或铜；介质板的材质为SiO2。
9.权利要求1-8任一所述的基于石墨烯-金属结构的可重构天线的频率调谐方法，其特征在于通过改变石墨烯调谐部分的化学势，从而改变辐射贴片的表面阻抗，进而调节介质层与石墨烯调谐部分之间等效电容的值，从而等效于改变天线的缝隙槽渐变结构的开口大小，而开口大小与天线的工作频率相关，最终实现天线的频率可调谐。
10.根据权利要求9所述的的基于石墨烯-金属结构的可重构天线的频率调谐方法，其特征在于通过改变石墨烯调谐部分的偏置电压，进而改变石墨烯调谐部分的化学势。
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