CN114142223A - 一种基于石墨烯结构的可重构天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于石墨烯结构的可重构天线，包括介质基板、印刷在所述介质基板下方的金属接地板、印刷在所述介质基板上方的天线阵列及设置在天线阵列上的微电极，所述天线阵列通过微电极改变施加在石墨烯上的偏压来实现空间波束的重构，所述金属‑石墨烯天线阵列包括馈电单元和寄生结构，多组所述寄生结构以馈电单元为中心，对称分布于馈电单元的两侧。本发明提供的基于石墨烯结构的可重构天线能通过操控施加在石墨烯的偏压改变其化学势，进而控制寄生单元表面的电流分布，实现辐射方向图的重构，其结构简单，可运用于需要波束扫描的太赫兹至远红外波段器件和系统。
Description
技术领域
本发明属于天线工程技术领域，具体是涉及到一种基于石墨烯结构的可重构天线。
背景技术
太赫兹波(THz)通常是指频率范围在0.1THz～10THz(波长范围在30μm～3mm)频段内的电磁波。太赫兹波位于微波与远红外光之间，比起毫米波，太赫兹波的频率更高，因此太赫兹波不但能提高通信速率还可以实现器件的小型化和轻量化。比起远红外光波，太赫兹波具有不会被烟尘阻挡的优势，这使电子设备在恶劣环境下仍然可以正常工作。近年来，随着微纳米制造技术的快速发展，太赫兹科学技术已成为活跃的研究课题。然而现实中依然存在很多问题，制约着其实际的应用。其中一个就是缺少性能稳定的太赫兹器件。
作为今年来备受关注的新型材料，石墨烯拥有独特的电学性质。具体的，通过对其电导率的研究人们发现，在太赫兹到远红外波段，过外加偏置电压可以改变石墨烯能带跃迁，进而改变石墨烯费米能级达到电导率点调谐的要求。也就是说，通过外加电压实现石墨烯表面等离子体激元的传播，进而控制其在高阻抗和低阻抗状态之间的切换，这为石墨烯在光学器件的应用开辟了途径。2011年上交大的黄毅等人提出了一种基于石墨烯超材料的可重构的太赫兹天线，利用单层石墨烯可调谐高阻抗实现了辐射波束的重构。2012年，Tamagnone M等人提出一种基于石墨烯堆栈的可重构太赫兹等离子体天线。2016年Y.L.Wu等人在AIP Advanced上发表的“Graphene-based Yagi-Uda antenna withreconfigurable radiation patterns”首次提出一种两波束，四波束的可重构八木天线，在他们的设计中，石墨烯被植入寄生单元，但当要实现四波束可重构时，需要引进新的馈电结构；并且该设计无法实现连续的空间波束扫描。2018年F.Liang提出一种七单元微带准八木天线，实现了一维波束的扫描，然而该设计结构较为复杂，且仿真结果显示该天线的增益较低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单，能通过操控施加在石墨烯的偏压改变其化学势，进而控制寄生单元表面的电流分布，实现辐射方向图的重构的基于石墨烯结构的可重构天线。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下，一种基于石墨烯结构的可重构天线，具体来说就是将石墨烯植入准八木天线阵列的寄生单元中，通过操控施加在石墨烯的偏压改变其化学势，进而控制寄生单元表面的电流分布，实现辐射方向图的重构。仿真结果显示，该天线的-10dB阻抗带宽在2.1-2.35THz，在工作频带内波束的覆盖范围可达到±40°，并且最高增益可达7.9dB。由于本发明天线阵列的工作原理不同于传统相控阵天线，是通过改变引向器/反射器相对驱动贴片的位置以及有效电长度来实现波束扫描，而并非控制辐射单元相位来控制天线方向图最大值的指向。因此省去了传统的移相器和功分器，结构简单，可运用于需要波束扫描的太赫兹至远红外波段器件和系统。
本发明天线基本结构包括矩形SiO2介质基板、基板下方的金属接地板、印刷在介质基板上方的天线阵列，对天线的馈电结构以及设置在石墨烯上的微电极。其中位于阵列中心的圆形金属贴片，可由微带或同轴线馈电，三组结构相同的寄生单元对称分布于馈电单元的两侧，每组寄生单元由金属圆形贴片以及与其同心的石墨烯圆环所构成。从靠近中心到两侧，圆形金属贴片的半径逐渐变小，石墨烯同心圆环的环宽逐渐变大。馈电单元左侧和右侧的石墨烯圆环分别为不同的偏压所控制。
根据Kubos公式可以推断，石墨烯在太赫兹至远红外波段的电导率由由其化学势μc决定，而在石墨烯化学参杂一定的情况下，化学势又可由外加偏压所决定。由此，可以通过改变施加在石墨烯上的偏压来控制其电导率。在本发明实施例中，考虑三种情况：
(1)左侧石墨烯圆环的化学势μc1＝1eV，右侧石墨烯圆环的化学势μc2＝0eV，此时左侧石墨烯处于低阻抗状态，右侧石墨烯处于高阻抗状态，因此左侧的寄生单元可视八木天线阵列中的反射器，而右侧寄生单元为引向器，为这种情况记为D1。
(2)左侧石墨烯圆环的化学势μc1＝1eV，右侧石墨烯圆环的化学势μc2＝1eV，此时左侧和右侧石墨烯均处于高阻抗状态，两侧的寄生单元均为反射器，这种情况记为D2。
(3)左侧石墨烯圆环的化学势μc1＝0eV，右侧石墨烯圆环的化学势μc2＝1eV，此时左侧石墨烯处于高阻抗状态，右侧石墨烯处于低阻抗状态，因此左侧的寄生单元可视八木天线阵列中的引向器，左侧寄生单元为反射器，这种情况记为D3。
本发明的有益效果是，通过改变施加在石墨烯上的偏压来实现空间波束的重构，因此相对于传统的相控阵天线，摒弃了复杂的移相器和公分器等电路，极大的简化了加工难度，且在工作频段内，并不会因为扫描引起反射系数的恶化。天线的相对带宽为10％左右，工作频段内的最大增益可达7.9dB。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于金属-石墨烯结构的同心圆结构的可重构天线结构示意图。
图2是本发明实施例提供的基于金属-石墨烯结构的同心圆结构的可重构天线的侧视图。
图3是本发明实施例提供的基于金属-石墨烯结构的同心圆结构的可重构天线的门电压控制示意图，可以看到，馈电单元左右侧的石墨烯分别为不同的偏压所控制。
图4是本发明实施例提供的基于金属-石墨烯结构的同心圆结构的可重构天线在D1、D2和D3三种情况下的反射系数。
图5是本发明实施例提供的基于金属-石墨烯结构的同心圆结构的可重构天线在D1、D2和D3三种情况下的辐射方向图；图5(a)为具体实施实例在2.25THz频点D1情况下的辐射方向图，可以看到波束指向36°方向；图5(b)为具体实施实例在2.25THz频点D2情况下的辐射方向图，可以看到波束指向0°方向；图5(c)为具体实施实例在2.25THz频点D3情况下的辐射方向图，可以看到波束指向-36°方向。
图6是本发明实施例提供的基于金属-石墨烯结构的同心圆结构的可重构天线在频点2.25THz，D2情况下；频点2.12THz，D3情况下；频点2.25THz，D3情况下；频点2.37THz，D3情况下的辐射方向图，可以看出本发明天线阵的辐射方向图可以覆盖0至40°，同理结合D1情况，可以推断本发明天线阵的辐射方向图可以覆盖0至－40°，换言之本发明天线阵可以实现±40°的空间方向图覆盖。
图7是本发明实施例提供的基于金属-石墨烯结构的同心圆结构的可重构天线在三种情况下，工作频段内的最大增益图，可以看出，本发明最高增益可达7.9dB。
在图中，1、介质基板；2、金属接地板；3、馈电金属贴片；4、石墨烯环；5、寄生金属贴片；6、微电极；7、馈线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明：
请一并参阅图1-7，本实施例提供的基于石墨烯结构的可重构天线，包括介质基板1、印刷在所述介质基板下方的金属接地板2、印刷在所述介质基板1上方的天线阵列及设置在天线阵列上的微电极6，所述天线阵列通过微电极6改变施加在石墨烯上的偏压来实现空间波束的重构，所述金属-石墨烯天线阵列包括馈电单元和寄生结构，多组所述寄生结构以馈电单元为中心，对称分布于馈电单元的两侧。
本发明将石墨烯植入准八木天线阵列的寄生单元中，通过操控施加在石墨烯的偏压改变其化学势，进而控制寄生单元表面的电流分布，实现辐射方向图的重构；省去了传统的移相器和功分器，通过改变施加在石墨烯上的偏压来实现空间波束的重构，因此相对于传统的相控阵天线，摒弃了复杂的移相器和公分器等电路，极大的简化了加工难度，且在工作频段内，并不会因为扫描引起反射系数的恶化；天线的相对带宽为10％左右，工作频段内的最大增益可达7.9dB；其结构简单，可运用于需要波束扫描的太赫兹至远红外波段器件和系统。
更具体的，所述馈电单元包括用于馈电的馈电金属贴片3，所述馈电金属贴片3设于阵列中心，且通过馈线7进行馈电，馈电金属贴片3的两侧设有多组寄生结构。
更具体的，馈线7为同轴线或者微带线。
更具体的，所述寄生结构包括设于介质基板1上的寄生金属贴片5，所述寄生金属贴片5的外周设有石墨烯环4，所述石墨烯环4与寄生金属贴片5同心设置。
更具体的，所述微电极6设于石墨烯环4上，馈电单元两侧的石墨烯环4通过相应微电极6被不同的偏压所控制，通过操控施加在石墨烯环4上的偏压改变其化学势，进而控制寄生单元表面的电流分布，实现辐射方向图的重构。
更具体的，在本实施例中，所述馈电金属贴片3、寄生金属贴片5为圆形阵列的单元，石墨烯环4为圆环状；但在具体实践中，正方形，矩形等规则形状的单元均能达到本发明的效果。
更具体的，多个所述寄生金属贴片5由馈电金属贴片3向两侧半价渐变减小，所述石墨烯环4由馈电金属贴片3向两侧环宽渐变增大。所述馈电金属贴片3的半径为18μm，根据准八木贴片天线阵列的设计原理，引向器与驱动单元的大小比例在0.8～0.95之间，而反射器与驱动单元的大小比例位于1.1～1.3区间范围内，由此可以确定寄生金属贴片以及石墨烯圆环的半径。当控制施加在石墨烯上的偏压，使得左侧石墨烯圆环的化学势μc1＝1eV，右侧石墨烯圆环的化学势μc2＝0eV，此时左侧石墨烯处于低阻抗状态，右侧石墨烯处于高阻抗状态，因此左侧的寄生单元可视八木天线阵列中的反射器，而右侧寄生单元为引向器，波束将偏离轴向，指向右侧。反之，左侧石墨烯圆环的化学势μc1＝0eV，右侧石墨烯圆环的化学势μc2＝1eV，此时左侧石墨烯处于高阻抗状态，右侧石墨烯处于低阻抗状态，因此左侧的寄生单元可视八木天线阵列中的引向器，而右侧寄生单元为反射器，波束将偏离轴向，指向左侧。当左右两侧的石墨烯圆环的化学势μc1＝μc1＝1eV，驱动单元两侧的寄生单元均为反射器，此时波束指向天线阵列轴向。
更具体的，所述介质基板1的材料为SiO2，其厚度为12μm，介电常数为3.9。
本实施例由印刷在介质基板上的天线阵列组成，其结构主要包括厚度为12μm的SiO2介质基板1；印刷在介质基板1下方的金属接地板2；印刷在介质基板1上的圆形金属贴片馈电单元，半径为18μm；同轴线馈电结构；印刷在介质基板上方，对称分布在馈电单元两侧的圆形寄生金属贴片，其中越远离中心的寄生贴片半价越小；印刷在介质基板上方，与圆形寄生金属贴片同心的石墨烯圆环，其中越远离中心的圆环半价越大；设置在石墨烯上的微电极。
图5给出了该实施例在三种情况下的反射系数，可以看出，实现了2.1-2.35THz的-10dB阻抗带宽。
本发明通过控制外加在石墨烯圆环上的偏压来控制波束的指向，如图6给出了在工作频段内不同频点时的方向图，可以看出本发明可实现±40°的空间方向图覆盖范围，并且扫描的时候没有引起匹配的恶化，工作频段内反射系数仍在-10dB以下。
以上实施例仅用于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 (9)
1.一种基于石墨烯结构的可重构天线，其特征在于：包括介质基板(1)、印刷在所述介质基板(1)下方的金属接地板(2)、印刷在所述介质基板(1)上方的天线阵列及设置在天线阵列上的微电极(6)，所述天线阵列通过微电极(6)改变施加在石墨烯上的偏压来实现空间波束的重构，所述金属-石墨烯天线阵列包括馈电单元和寄生结构，多组所述寄生结构以馈电单元为中心，对称分布于馈电单元的两侧。
2.如权利要求1所述的基于石墨烯结构的可重构天线，其特征在于：所述馈电单元包括用于馈电的馈电金属贴片(3)，所述馈电金属贴片(3)设于阵列中心，且通过馈线(7)进行馈电，馈电金属贴片(3)的两侧设有多组寄生结构。
3.如权利要求2所述的基于石墨烯结构的可重构天线，其特征在于：所述馈线(7)为同轴线或者微带线。
4.如权利要求1所述的基于石墨烯结构的可重构天线，其特征在于：所述寄生结构包括设于介质基板(1)上的寄生金属贴片(5)，所述寄生金属贴片(5)的外周设有石墨烯环(4)，所述石墨烯环(4)与寄生金属贴片(5)同心设置。
5.如权利要求1所述的基于石墨烯结构的可重构天线，其特征在于：所述微电极(6)设于石墨烯环(4)上，馈电单元两侧的石墨烯环(4)通过相应微电极(6)被不同的偏压所控制。
6.如权利要求1所述的基于石墨烯结构的可重构天线，其特征在于：所述馈电金属贴片(3)、寄生金属贴片(5)及石墨烯环(4)为圆形。
7.如权利要求1所述的基于石墨烯结构的可重构天线，其特征在于：多个所述寄生金属贴片(5)由馈电金属贴片(3)向两侧半价渐变减小，所述石墨烯环(4)由馈电金属贴片(3)向两侧环宽渐变增大。
8.如权利要求1所述的基于石墨烯结构的可重构天线，其特征在于：所述介质基板(1)的材料为SiO2，其厚度为12μm，介电常数为3.9。
9.如权利要求1所述的基于石墨烯结构的可重构天线，其特征在于：所述馈电金属贴片(3)的半径为18μm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220304 |