CN113381191A - 基于石墨烯的方向图及频率可重构微带天线及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯的方向图及频率可重构微带天线及方法。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。结果表明，所提出的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，且由于本发明偶极子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。此外，基于石墨烯材料的特殊性质，本发明天线能够实现对发明天线中三对引向器结构的具体控制，通过控制不同引向器结构的引向效果，从而实现本发明微带偶极子天线方向图可重构。

Description

基于石墨烯的方向图及频率可重构微带天线及方法

技术领域

本发明属于可重构微带天线领域，涉及一种基于石墨烯的方向图及频率可重构微带天线及方法。

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，传感器的数量预计在未来几年将翻一番，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。

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的方向图及频率可重构微带天线。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种基于石墨烯的方向图及频率可重构微带天线。

一种基于石墨烯的方向图及频率可重构微带天线包括天线介质层、设置在天线介质层上层的天线石墨烯-金属辐射层；

所述天线石墨烯-金属辐射层包括一对构成微带偶极子天线的多边形辐射贴片，以及多个不同模式的引向器；

所述多边形辐射贴片由调谐结构以及辐射体构成。

所述调谐结构为靠近激励端口的石墨烯贴片；该结构靠近激励端口可以对微带天线的激励电流起到最大限度的调谐作用。

所述辐射体为与调谐结构相连的金属贴片，其材质为传统金属材料；辐射体结构采用金属材料能够使得天线保持传统天线的辐射性能。

调谐结构、辐射体共同构成1/2工作频率波长的多边形辐射贴片，调谐结构的长度越长则天线可调谐范围越大，但天线的辐射性能降低，当前为基于仿真的最优值，调谐结构长度为5μm。

作为优选，两个辐射贴片间的距离为5μm。

作为优选，调谐结构为三角形，其顶点靠近激励端口；辐射体结构为六边形；所述调谐结构以及辐射体结构共同构成五边形结构。

所述的引向器均由两个关于激励端口中心对称的引向贴片构成；每个引向器的两个引向贴片的一端与不同多边形辐射贴片的辐射体连接；

作为优选，每个引向贴片由多个平行设置的矩形引向贴片构成，且相邻引向贴片间留有缝隙。

所述引向贴片的材料为石墨烯材料，利用石墨烯材料的特殊性质可以实现对每一对引向器结构的具体控制，从而实现天线辐射方向图的可重构特性。

作为优选，所述介质层的材质为透明玻璃基板，介电常数为3.75，厚度为5μm。

所述多边形石墨烯-金属辐射贴片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，也为发明天线带来了更低的反射系数，而后分布于发明天线两端的引向贴片结构又使得天线具备了方向图可重构特性。

本发明的另一个目的是基于石墨烯的方向图及频率可重构微带天线的重构方法，具体是：

1)通过改变多边形辐射贴片中调谐结构石墨烯材料的化学势，从而改变多边形辐射贴片的表面阻抗，进而调节介质层与石墨烯调谐结构之间等效电容的值，从而等效于改变微带偶极子天线的匹配趋势，最终实现微带偶极子天线的频率可重构。

2)通过引向贴片石墨烯材料的化学势，从而改变引向贴片的表面阻抗，进而实现对不同模式引向器的控制，达到不同引向器的引向效果，从而实现微带偶极子天线方向图可重构。

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：

本发明通过改变施加在微带偶极子天线的石墨烯调谐贴片结构上的外偏置电压，从而改变贴片结构石墨烯材料的化学势，改变多边形辐射贴片的表面阻抗。由于石墨烯是印刷在石英衬底上的，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，从而改变匹配趋势，进而实现本发明微带偶极子天线的频率可重构。同时基于上述石墨烯材料在天线应用中的特性，通过改变加载在石墨烯引向贴片上的偏置电压可以实现对发明天线中引向器结构的具体控制，通过控制不同引向器结构的引向效果，从而实现本发明天线方向图可重构。

本发明提出的多边形石墨烯-金属辐射贴片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，也为发明天线带来了更低的反射系数，而后分布于发明天线两端的引向贴片结构又使得天线具备了方向图可重构特性。

本发明天线的介质层采用的是方形透明玻璃基板，使得本发明天线可以很容易地印刷在汽车玻璃上。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方向图及频率可重构微带天线的立体结构图；

图2为本发明实施例的基于石墨烯的方向图及频率可重构微带天线的结构示意图；

图3为本发明实施例的基于石墨烯的方向图及频率可重构微带天线的不同化学式下石墨烯表面阻抗图；

图4为本发明实施例的基于石墨烯的方向图及频率可重构微带天线的表面电流图；

图5为本发明实施例的基于石墨烯的方向图及频率可重构微带天线的不同化学式下S11参数仿真结果图；

图6为本发明实施例的基于石墨烯的方向图及频率可重构微带天线的不同引向器模式下3D辐射方向图(a)模式1引向器作用天线，(b)模式2引向器作用天线，(b)模式3引向器作用天线；

图7为本发明实施例的基于石墨烯的方向图及频率可重构微带天线的不同引向器模式下2D辐射方向图对比。

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，所示为本发明可重构微带天线的立体结构图。发明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微带天线的多边形石墨烯-金属辐射贴片，以及引向贴片结构。所述介质层10的材质为长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5μm。

参见图2，所示为本发明可重构微带天线的结构示意图。多边形石墨烯-金属辐射贴片由调谐结构21以及辐射体结构22构成。所述调谐结构21为石墨烯材料贴片结构，该结构靠近激励端口，为三角形石墨烯贴片。所述辐射体结构22材料为传统金属材料，该结构与石墨烯调谐结构相连，为六边形金属贴片。所述调谐结构21以及辐射体结构22共同构成五边形石墨烯-金属辐射贴片，两个五边形石墨烯-金属辐射贴片共同构成本发明微带偶极子天线。所述引向贴片结构由3对引向器结构23-28构成，每对引向器结构关于激励端口中心对称，由分布于微带偶极子天线的辐射贴片两侧的两个引向器构成，其中引向器结构23与引向器28构成模式1引向器，引向器结构24与引向器27构成模式2引向器，引向器结构25与引向器26构成模式3引向器，每个引向器则由3片长方形引向贴片依次排列形成。

针对现有技术存在的缺陷，对现有技术中微带偶极子天线进行了深入的研究，并提出了一种基于石墨烯的方向图及频率可重构微带天线，该微带偶极子天线由石墨烯和金属组成。

工作过程是，通过改变施加在微带偶极子天线的石墨烯调谐贴片结构21上的外偏置电压，从而改变贴片结构石墨烯材料的化学势，改变多边形辐射贴片的表面阻抗。由于石墨烯是印刷在石英衬底上的，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，从而改变匹配趋势，进而实现本发明微带偶极子天线的频率可重构。同时基于上述石墨烯材料在天线应用中的特性，通过改变加载在石墨烯引向贴片23-28上的偏置电压可以实现对发明天线中3对引向器结构的具体控制，通过控制不同引向器结构的引向效果，从而实现本发明天线方向图可重构。

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：

式中T为温度，设T为室温300K，τ为弛豫时间，设τ为1ps，μ_c为化学势，设为零静电偏置μ_c＝0。

在一定的频率下，化学势μ_c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。同时基于上述石墨烯材料在天线应用中的特性，可以实现对发明天线中3对引向器结构的具体控制，通过控制不同引向器结构的引向效果，从而实现本发明微带偶极子天线方向图可重构。

参见图4，所示为本发明可重构微带天线的表面电流图，可以看到天线的表面电流集中在石墨烯调谐部分21，因此该结构靠近激励端口可以对微带天线的激励电流起到最大限度的调谐作用，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5，所示为本发明可重构微带天线不同化学势下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(0.19-0.5eV)，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。本发明可重构微带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逐渐向高频移动。因此本发明天线具有频率可重构的特性。

参见图6，所示为本发明可重构微带天线的不同引向器模式下3D辐射方向图，图(a)模式1引向器作用天线时的辐射方向图，图(b)模式2引向器作用天线时的辐射方向图，图(b)模式3引向器作用天线时的辐射方向图，如结果所示，通过对不同模式引向器的石墨烯贴片外加不同的直流偏置电压，能够控制不同模式引向器作用于天线，使得天线的辐射方向图发生不同程度的偏转，从而使得本发明天线具备方向图可重构的特性。

参见图7，所示为本发明可重构微带天线的不同引向器模式下2D辐射方向图对比，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，该天线在不同模式引向器的辐射方向图发生不同程度的偏转，最大方向性系数为2dBi。

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)

1.一种基于石墨烯的方向图及频率可重构微带天线，其特征在于包括天线介质层、设置在天线介质层上层的天线石墨烯-金属辐射层；其中天线石墨烯-金属辐射层包括一对构成微带偶极子天线的多边形辐射贴片，以及多个不同模式的引向器；

所述多边形辐射贴片由调谐结构以及辐射体构成；

所述调谐结构为靠近激励端口的石墨烯贴片；

所述辐射体为与调谐结构相连的金属贴片；

所述的引向器均由两个关于激励端口中心对称的引向贴片构成；每个引向器的两个引向贴片的一端与不同多边形辐射贴片的辐射体连接；其中引向贴片的材料为石墨烯材料。

2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的方向图及频率可重构微带天线，其特征在于调谐结构、辐射体共同构成1/2工作频率波长的多边形辐射贴片。

3.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的方向图及频率可重构微带天线，其特征在于调谐结构长度为5μm。

4.根据权利要求1或3所述的一种基于石墨烯的方向图及频率可重构微带天线，其特征在于两个多边形辐射贴片间的距离为5μm。

5.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的方向图及频率可重构微带天线，其特征在于调谐结构为三角形，其顶点靠近激励端口；辐射体结构为六边形；所述调谐结构以及辐射体结构共同构成五边形结构。

6.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的方向图及频率可重构微带天线，其特征在于每个引向贴片由多个平行设置的矩形引向贴片构成，且相邻引向贴片间留有缝隙。

7.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的方向图及频率可重构微带天线，其特征在于所述介质层的材质为透明玻璃基板，介电常数为3.75，厚度为5μm。

8.基于权利要求1-7任一所述的微带天线的方向图可重构方法，其特征在于具体是：

通过改变多边形辐射贴片中调谐结构石墨烯材料的化学势，从而改变多边形辐射贴片的表面阻抗，进而调节介质层与石墨烯调谐结构之间等效电容的值，从而等效于改变微带偶极子天线的匹配趋势，最终实现微带偶极子天线的频率可重构。

9.基于权利要求1-7任一所述的微带天线的方向图可重构方法，其特征在于具体是：通过引向贴片石墨烯材料的化学势，从而改变引向贴片的表面阻抗，进而实现对不同模式引向器的控制，达到不同引向器的引向效果，从而实现微带偶极子天线方向图可重构。

10.根据权利要求8或9任一所述的方法，其特征在于具体是：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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