一種用于方向圖可重構(gòu)天線的石墨烯高阻抗面的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于方向圖可重構(gòu)天線的石墨烯高阻抗面，屬于天線技術(shù)領(lǐng)域。高阻抗面由若干高阻抗面單元周期排列組成，高阻抗面單元包括復(fù)合介質(zhì)基板、設(shè)于其上表面的正方形金屬貼片及其左右兩邊的石墨烯貼片、設(shè)于其下表面的全金屬面，其中石墨烯貼片為連接兩單元金屬貼片的矩形貼片。本發(fā)明可在較大角度范圍(±80°)內(nèi)實(shí)現(xiàn)方向圖的連續(xù)可重構(gòu)，克服了以往使用開關(guān)元件、陣列天線等的方向圖離散型可重構(gòu)的束縛；同時(shí)該高阻抗面適用多種天線輻射單元形式，降低了天線整體設(shè)計(jì)成本，同時(shí)也大大簡(jiǎn)化了天線可重構(gòu)的控制系統(tǒng)，克服了以往需要龐大的天線系統(tǒng)且后續(xù)控制復(fù)雜的缺點(diǎn)，真正實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)，且不損失天線的主瓣增益值。
【專利說明】
一種用于方向圖可重構(gòu)天線的石墨烯高阻抗面
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于天線技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種通過石墨烯加載的高阻抗表面來實(shí)現(xiàn)方 向圖可重構(gòu)天線，可用于太赫茲頻段通信系統(tǒng)射頻終端的信號(hào)發(fā)射和接收。
【背景技術(shù)】
[0002] 天線是無線通信系統(tǒng)中用于信號(hào)收發(fā)的關(guān)鍵器件。近年來，為了能夠有效而合理 的利用空間和頻譜資源，無線通信系統(tǒng)開始朝大容量、多功能、超寬帶方向發(fā)展，而這些要 求勢(shì)必增加天線平臺(tái)上的天線數(shù)量，加大系統(tǒng)復(fù)雜程度，天線之間也會(huì)相互產(chǎn)生耦合干擾， 對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響。為了降低系統(tǒng)復(fù)雜度和成本，同時(shí)實(shí)現(xiàn)良好的電磁兼容，可重構(gòu)天線 無疑成為在滿足系統(tǒng)通信功能的前提下減小天線數(shù)量的一種很好的解決方案。天線可重構(gòu) 方式主要分為頻率可重構(gòu)、方向圖可重構(gòu)、極化可重構(gòu)以及混合可重構(gòu)。其中方向圖可重構(gòu) 天線可實(shí)現(xiàn)方向圖主波束的偏轉(zhuǎn)，是未來應(yīng)用于認(rèn)知無線電環(huán)境中智能天線的發(fā)展趨勢(shì)。
[0003] 微波頻段的方向圖可重構(gòu)天線已有較多的研究和發(fā)展。目前對(duì)于微波頻段方向圖 可重構(gòu)天線的研究主要通過相控陣天線，或加載電子器件(如電子開關(guān)、可變電抗、機(jī)械可 控結(jié)構(gòu)）等方式來實(shí)現(xiàn)。通過相控陣列天線實(shí)現(xiàn)方向圖可重構(gòu)，如文獻(xiàn)"A beam-steerer using reconfigurable PBG ground Plane(2000IEEE AP-S,2000.835-838,Elmaran,Ia〇-Mak Chio.Liang-Yu Chen，et al)"，增大了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，使系統(tǒng)較龐大。通過加載電子 器件的方式，往往需引入數(shù)目較多的開關(guān)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度大，且調(diào)節(jié)過程繁復(fù)，調(diào)節(jié)效 果只能實(shí)現(xiàn)天線方向圖離散型可重構(gòu)。
[0004] 隨著近幾年超材料的發(fā)現(xiàn)及快速發(fā)展，加載人工電磁超表面來實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)天線的 一種方式引起了人們廣泛的關(guān)注。高阻抗表面(High Impedance Surface,HIS)是一種由周 期陣列單元組成的超材料表面，其可以無相位損失的反射某特定頻率的電磁波。隨著最近 幾年可重構(gòu)天線的發(fā)展，有源可重構(gòu)高阻抗表面(Active High Impedance Surface)被提 出來。由于其獨(dú)特的性能已經(jīng)被應(yīng)用于很多領(lǐng)域，如天線、吸波體和同步噪聲開關(guān)設(shè)計(jì)等。 如果能對(duì)HIS的阻抗值進(jìn)行靈活的調(diào)控，那么將為其在實(shí)際應(yīng)用中提供更多的自由設(shè)計(jì)的 空間。
[0005] 方向圖可重構(gòu)天線的另一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域是太赫茲頻段。近年來，太赫茲通信引 起了人們的廣泛研究興趣。無疑，作為太赫茲通信系統(tǒng)射頻終端的太赫茲天線，是系統(tǒng)中非 常重要的一個(gè)組成部分。盡管太赫茲頻段天線與微波頻段天線的功能相同，但是金屬在太 赫茲頻段的高損耗和加工制備困難成為制約太赫茲天線設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的主要因素。而石墨烯 在太赫茲頻段具有優(yōu)越的電學(xué)特性，尤其是石墨烯的電可調(diào)特性給太赫茲可重構(gòu)天線帶來 了極大的希望。石墨烯作為一種二維平面碳結(jié)構(gòu)具有很多優(yōu)異的特性，如最薄材料(單層原 子厚）、最硬材料、極高的載流子迀移率、具有柔韌性和透光性等，尤其是在太赫茲頻段范圍 內(nèi)的電導(dǎo)率靈活的可調(diào)性，即通過對(duì)一定摻雜濃度的石墨烯材料外部施加電場(chǎng)或磁場(chǎng)可對(duì) 其電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其既可表現(xiàn)為絕緣體，也可表現(xiàn)為良導(dǎo)體。這一特性為太赫茲頻段可 重構(gòu)天線提供了重要的設(shè)計(jì)依據(jù)。文獻(xiàn)"Design of a novel graphene terahertz antenna at 500GHz with re conf i gurab1e radiation pat tern (2015 IEEE International Symposium on，2015:1462_1463Xia H，Pan Q X，Hu J，et al)"通過利用石 墨烯構(gòu)造三個(gè)類似于八木天線的天線引向單元，實(shí)現(xiàn)天線方向圖可重構(gòu)，但不能實(shí)現(xiàn)天線 方向圖的連續(xù)可重構(gòu)。文南犬"Sinusoidally modulated graphene leaky-wave antenna for electronic beamscanning at THz(2014IEEE on Terahertz Science and Technology 2014,4(1): 116-122.Esquius-Morote M，Perruisseau-Ca;r;rier J·)"利用石 墨烯材料構(gòu)造漏波天線，通過改變石墨烯本身的電流分布來構(gòu)造漏波天線實(shí)現(xiàn)天線方向圖 的偏轉(zhuǎn)，但此系統(tǒng)涉及多個(gè)控制單元，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且可重構(gòu)角度有限，僅為-45.4°到 37.5。。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，構(gòu)造結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作容易、可重構(gòu)角度大、 適用范圍廣的天線。提出了一種用于方向圖可重構(gòu)天線的石墨烯高阻抗面，其可在較大角 度范圍（±80°)內(nèi)實(shí)現(xiàn)方向圖的連續(xù)可重構(gòu)，克服了以往使用開關(guān)元件、陣列天線等的方向 圖離散型可重構(gòu)的束縛。同時(shí)該石墨烯高阻抗面適用多種天線輻射單元形式，降低了天線 整體設(shè)計(jì)成本，同時(shí)也大大簡(jiǎn)化了天線可重構(gòu)的控制系統(tǒng)，克服了以往需要龐大的天線系 統(tǒng)且后續(xù)控制復(fù)雜的缺點(diǎn)，真正實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)，且不損失天線的主瓣增益值。
[0007] 本發(fā)明技術(shù)方案如下：
[0008] -種用于方向圖可重構(gòu)天線的石墨烯高阻抗面，其特征在于:所述高阻抗面由若 干高阻抗面單元周期排列組成，高阻抗面單元包括復(fù)合介質(zhì)基板、設(shè)于其上表面的正方形 金屬貼片及其左右兩邊的石墨烯貼片、設(shè)于其下表面的全金屬面，其中所述石墨烯貼片為 連接兩單元金屬貼片的矩形貼片。
[0009] 復(fù)合介質(zhì)基板包括自上而下依次疊加的絕緣層、導(dǎo)體層和低損介質(zhì)層，在石墨烯 貼片和導(dǎo)體層之間加有直流偏置電壓V。。
[0010] 進(jìn)一步地，所述高阻抗面是由NXN個(gè)正方形高阻抗面單元周期排列而成，其中N多 2〇
[0011] 進(jìn)一步地，天線輻射單元位于高阻抗面的正上方。
[0012] 進(jìn)一步地，所述低損介質(zhì)層厚度h3ag/4,其中18是低損介質(zhì)層中的導(dǎo)波波長。
[0013] 本發(fā)明技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)如陣列天線、漏波天線、加載電子器件開關(guān)天線等形式的 方向圖可重構(gòu)天線相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0014] 1.本發(fā)明采用加載石墨烯材料的高阻抗面實(shí)現(xiàn)天線方向圖的可重構(gòu)，在石墨烯貼 片與復(fù)合介質(zhì)基板中導(dǎo)體層之間加有直流偏置電壓，通過簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)直流偏壓可改變石墨烯 的表面電導(dǎo)率，進(jìn)而改變高阻抗面的阻抗?fàn)顟B(tài)，從而有效的調(diào)控天線單元的電流分布。由于 結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，可實(shí)現(xiàn)天線方向圖的左右雙向同時(shí)可重構(gòu)。在不損失主瓣增益的基礎(chǔ)上，其 輻射方向可在約± 80°內(nèi)進(jìn)行偏轉(zhuǎn)。
[0015] 2.本發(fā)明由正方形高阻抗面單元周期排列組成，適用于多種天線輻射單元形式， 在形成的高阻抗面的正上方添加天線輻射單元，根據(jù)不同天線輻射單元的形式，適當(dāng)調(diào)控 天線輻射單元與高阻抗面之間的相對(duì)位置即可實(shí)現(xiàn)增益最大化。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，降低了天線 整體設(shè)計(jì)成本及后續(xù)可重構(gòu)復(fù)雜度。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明提供的基于石墨烯材料高阻抗面的方向圖可重構(gòu)天線普適結(jié)構(gòu)圖；
[0017] 圖2為本發(fā)明提供的基于石墨烯材料高阻抗面的方向圖可重構(gòu)天線高阻抗單元結(jié) 構(gòu)圖；
[0018] 圖3為本發(fā)明提供的基于石墨烯材料高阻抗面的方向圖可重構(gòu)天線高阻抗單元具 體尺寸標(biāo)注圖；
[0019] 圖4為本發(fā)明第一實(shí)施例的天線結(jié)構(gòu)圖；
[0020] 圖5為本發(fā)明第二實(shí)施例的天線結(jié)構(gòu)圖；
[0021] 圖6為本發(fā)明第一實(shí)施例的Η面2D方向圖；
[0022]圖7為本發(fā)明第二實(shí)施例的Η面2D方向圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述:本實(shí)施例在以本發(fā)明 技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范 圍不限于下述實(shí)例。
[0024] 實(shí)施例1:
[0025]本實(shí)施例為理論驗(yàn)證例，包括天線輻射單元1和高阻抗面2。
[0026]圖2-3為高阻抗面單元結(jié)構(gòu)示意圖，包括復(fù)合介質(zhì)基板3、印制在其下表面的全金 屬面6、印制在其上表面中間的正方形金屬貼片4和貼片左右兩側(cè)的石墨烯連接貼片5,復(fù)合 介質(zhì)基板3由自上而下依次疊加的氧化錯(cuò)層31、多晶娃層32和玻璃層33組成，在石墨稀5和 多晶硅32之間增加有直流偏置電壓17,用于調(diào)節(jié)石墨烯的表面電導(dǎo)率;復(fù)合介質(zhì)基板中的 氧化鋁層31用來隔絕多晶硅層32和石墨烯5，形成一個(gè)偏壓。
[0027] 參照?qǐng)D3,高阻抗面單元周期ρ = 80μπι，高阻抗面2整體是由NXN的高阻抗單元組 成，其中2, Ν的值由加載的不同天線福射單元的形式?jīng)Q定，在本實(shí)施例中Ν=6，高阻抗面 整體規(guī)格為480μηι X 480μηι。
[0028] 復(fù)合介質(zhì)基板3中的氧化鋁層31厚度為1η = 20ηπι，其介電常數(shù)為8.9,正切損耗角 為0.01;多晶硅層32厚度h2 = 20nm，其介電常數(shù)為3.75，正切損耗角為0.004;玻璃層33介電 常數(shù)為4.82，正切損耗角為0.0054，厚度h 3 = 30μπι。印制在其上表面中間的正方形金屬貼片 4邊長為w = 54ym，其左右兩側(cè)的石墨稀連接材料5寬1 = 17.5μηι。
[0029] 石墨烯貼片5厚度為單個(gè)原子量級(jí)的厚度，石墨烯與多晶硅之間的偏置電壓為：
[0031] 其中t為石墨烯貼片厚度，ns為載流子濃度，可表示為為石墨 烯化學(xué)勢(shì)能，h為普朗克常量，vf為費(fèi)米速率(石墨烯中為108cm/S)。
[0032] 石墨烯表面電導(dǎo)率可由Kubo公式表示為：
[0034] 其中T為熱力學(xué)溫度滿足T = 300K，Kb為玻爾茲曼常數(shù)，A = S/2茨為約化普朗克常 量，Γ是散射率，e是電子的帶電量，ω = 2Jif是角頻率，f是工作頻率。本發(fā)明中通過控制偏 置電壓來改變石墨烯的化學(xué)勢(shì)，由MATLAB計(jì)算得到石墨烯在不同化學(xué)勢(shì)下的表面阻抗模型 并導(dǎo)入CST中進(jìn)行計(jì)算。
[0035]所述直流偏置電壓Vc7的正極連接沉積在石墨烯材料5上的一小塊金屬薄膜電極 上，負(fù)極連接沉積在多晶硅層32上的一小塊金屬薄膜電極上，氧化鋁層31不導(dǎo)電，剛好在石 墨烯貼片5和多晶硅層32之間形成一個(gè)正向偏置電壓V。。該正向偏置電壓的改變會(huì)控制石 墨烯的化學(xué)勢(shì)能μ。，進(jìn)而改變石墨烯的表面電導(dǎo)率〇 s，從而改變基于石墨烯設(shè)計(jì)的高阻抗面 的阻抗?fàn)顟B(tài)，可以有效的調(diào)控天線的電流分布。當(dāng)yc = 0.40ev時(shí)，電流峰值集中于天線的中 間部位，故其主瓣方向?yàn)榇怪庇诟咦杩姑娴?°方向，隨著μ。的逐漸降低，電流峰值逐漸由天 線中間位置對(duì)稱的沿X軸正負(fù)兩側(cè)方向偏移，直至偏移至天線的末端，故使得天線的主瓣方 向逐漸向兩側(cè)偏轉(zhuǎn)，可達(dá)到± 80°范圍。
[0036]如圖4所示，本實(shí)施例天線輻射單元采用簡(jiǎn)單偶極子形式，在高阻抗面2正上方高 hd處放置有偶極子天線輻射單元1，采用簡(jiǎn)單的離散端口進(jìn)行饋電，測(cè)試基于石墨烯材料高 阻抗面實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)天線效果。天線輻射單元1距離高阻抗面高度hd = 30ym;其中偶極子半徑 為r = Ιμπι，整體長Length = 130μηι，兩臂中間間隙為g = 3μηι，工作中心頻率f = 1 · 03THz。
[0037] 實(shí)施例2:
[0038]實(shí)施例2為實(shí)際參考例，采用與實(shí)施例1不同的天線輻射單元形式，如圖5(a)所示， 天線輻射單元下方采用聚四氟乙烯8支撐，同時(shí)去掉位于輻射體下的聚四氟乙烯使之成為 空氣腔，由于聚四氟乙烯的介電常數(shù)較低為2.2,且天線下方為空氣腔襯底，可有效降低天 線的背向輻射。由于本實(shí)施例選用的天線輻射單元工作中心頻率f=l.〇3THz與實(shí)施例1中 相同，因此所使用的高阻抗面單元相同。
[0039] 參照?qǐng)D5,該實(shí)施例中的高阻抗面2由10X10的高阻抗面單元組成，天線輻射單元 采用蝶形天線形式，其中淺灰色貼片位于介質(zhì)板下表面為第一輻射體，對(duì)稱的深灰色貼片 位于介質(zhì)板上表面為第二輻射體。兩輻射體均為矩形貼片形式，并由梯形貼片與微帶饋線 進(jìn)行過渡連接。饋線由兩段不同長度及寬度的微帶線組成，同樣位于介質(zhì)板上下兩側(cè)，對(duì)饋 線尺寸進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化，使其匹配天線的輸入阻抗為標(biāo)準(zhǔn)50 Ω。蝶型天線距離高阻抗面高度 hb = 40ym;圖5a為本實(shí)施例天線側(cè)視圖，圖5b為本實(shí)施例天線蝶形輻射單元尺寸標(biāo)注圖，其 介質(zhì)基板厚度為d，介電常數(shù)為4.82，正切損耗角為0.0054，其具體尺寸如表1。
[0040] 表1基于石墨烯材料高阻抗面的方向圖可重構(gòu)天線蝶形輻射單元尺寸(單位:μπι)
[0042] 以下結(jié)合仿真計(jì)算對(duì)本發(fā)明的技術(shù)效果作進(jìn)一步描述：
[0043] 圖6為實(shí)施例1加載偶極子天線輻射單元的天線Η面方向圖，當(dāng)改變石墨烯與多晶 硅之間的偏置電壓使石墨烯的化學(xué)勢(shì)能yc = 0.40ev時(shí)，天線主瓣輻射方向?yàn)?°，主瓣增益 為6.9dBi ;改變偏置電壓使石墨烯化學(xué)勢(shì)能yc = 0.28ev時(shí)，天線主瓣分裂輻射分別為± 40° 的方向，主瓣增益為7. ldBi ;改變偏置電壓使石墨烯化學(xué)勢(shì)能yc = 0.18ev時(shí)，天線主瓣分裂 輻射分別為±55°的方向，主瓣增益為6.6dBi;改變偏置電壓使石墨烯化學(xué)勢(shì)能yc = 0.15eV 時(shí)，天線主瓣分裂輻射分別為±75°的方向，主瓣增益為7.7dBi;隨著偏置電壓改變使石墨 烯化學(xué)勢(shì)從〇. 40ev到0.1 lev變化，天線由單波束分裂為左右兩側(cè)的雙波束，且輻射方向在 ± 80°范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，且?guī)缀醪挥绊懫湓鲆嬷怠?br>[0044] 可見，實(shí)施例1中的天線輻射方向可在改變高阻抗面石墨烯電導(dǎo)率的情況下實(shí)現(xiàn) 方向圖可重構(gòu)，且?guī)缀醪挥绊懱炀€增益值。
[0045] 圖7為實(shí)施例2加載蝶形天線輻射單元的天線Η面方向圖，當(dāng)改變石墨烯與多晶硅 之間的偏置電壓使石墨稀的化學(xué)勢(shì)能yc = 〇.50ev時(shí)，天線主瓣福射方向?yàn)椤?0°，主瓣增益 為7.3dBi ;改變偏置電壓使石墨烯化學(xué)勢(shì)能yc = 0.35ev時(shí)，天線主瓣分裂輻射分別為± 45° 的方向，主瓣增益為7.3dBi ;改變偏置電壓使石墨烯化學(xué)勢(shì)能yc = 0.25ev時(shí)，天線主瓣分裂 輻射分別為±55°的方向，主瓣增益為7.5dBi ;改變偏置電壓使石墨烯化學(xué)勢(shì)能yc = 0.15ev 時(shí)，天線主瓣分裂輻射分別為±80°的方向，主瓣增益為7. ldBi;隨著偏置電壓改變使石墨 稀化學(xué)勢(shì)從〇. 50ev到0.15ev變化，天線波束逐漸向兩側(cè)進(jìn)行分裂，由原± 30°分裂至± 80°， 期間掃描角度隨化學(xué)勢(shì)變化連續(xù)可調(diào)，且?guī)缀醪挥绊懫湓鲆嬷怠?br>[0046] 綜上所述，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的石墨烯高阻抗面可實(shí)現(xiàn)天線方向圖可重構(gòu)，且適用于 多種天線輻射單元形式，通過改變加載到石墨烯上的偏置電壓而改變其化學(xué)勢(shì)，進(jìn)而在不 影響天線增益的情況下實(shí)現(xiàn)了天線方向圖的大角度連續(xù)可重構(gòu)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于方向圖可重構(gòu)天線的石墨烯高阻抗面，其特征在于:所述高阻抗面由若干 高阻抗面單元周期排列組成，高阻抗面單元包括復(fù)合介質(zhì)基板、設(shè)于其上表面的正方形金 屬貼片及其左右兩邊的石墨烯貼片、設(shè)于其下表面的全金屬面，其中所述石墨烯貼片為連 接兩單元金屬貼片的矩形貼片。2. 如權(quán)利要求1所述的一種用于方向圖可重構(gòu)天線的石墨烯高阻抗面，其特征在于:所 述復(fù)合介質(zhì)基板包括自上而下依次疊加的絕緣層、導(dǎo)體層和低損介質(zhì)層，并且在石墨烯貼 片和導(dǎo)體層之間加有直流偏置電壓V。。3. 如權(quán)利要求1所述的一種用于方向圖可重構(gòu)天線的石墨烯高阻抗面，其特征在于:所 述高阻抗面是由NXN個(gè)正方形高阻抗面單元周期排列而成，其中N>2。4. 如權(quán)利要求1所述的一種用于方向圖可重構(gòu)天線的石墨烯高阻抗面，其特征在于:所 述高阻抗面正上方設(shè)置有天線輻射單元。5. 如權(quán)利要求1所述的一種用于方向圖可重構(gòu)天線的石墨烯高阻抗面，其特征在于:所 述低損介質(zhì)層厚度h3a g/4,其中18是低損介質(zhì)層中的導(dǎo)波波長。6. 如權(quán)利要求1所述的一種用于方向圖可重構(gòu)天線的石墨烯高阻抗面，其特征在于:所 述絕緣層材料為氧化鋁。7. 如權(quán)利要求1所述的一種用于方向圖可重構(gòu)天線的石墨烯高阻抗面，其特征在于:所 述導(dǎo)體層材料為多晶硅。8. 如權(quán)利要求1所述的一種用于方向圖可重構(gòu)天線的石墨烯高阻抗面，其特征在于:所 述低損介質(zhì)層材料為玻璃。
【文檔編號(hào)】H01Q15/00GK106025563SQ201610375611
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月30日
【發(fā)明人】梁鋒, 李 浩, 趙德雙, 王秉中
【申請(qǐng)人】電子科技大學(xué)