一種用于方向圖可重構天線的石墨烯高阻抗面的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于方向圖可重構天線的石墨烯高阻抗面，屬于天線技術領域。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合介質基板、設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。本發明可在較大角度范圍(±80°)內實現方向圖的連續可重構，克服了以往使用開關元件、陣列天線等的方向圖離散型可重構的束縛；同時該高阻抗面適用多種天線輻射單元形式，降低了天線整體設計成本，同時也大大簡化了天線可重構的控制系統，克服了以往需要龐大的天線系統且后續控制復雜的缺點，真正實現簡單調節，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天線的石墨烯高阻抗面
技術領域
[0001] 本發明屬于天線技術領域，具體涉及一種通過石墨烯加載的高阻抗表面來實現方 向圖可重構天線，可用于太赫茲頻段通信系統射頻終端的信號發射和接收。
【背景技術】
[0002] 天線是無線通信系統中用于信號收發的關鍵器件。近年來，為了能夠有效而合理 的利用空間和頻譜資源，無線通信系統開始朝大容量、多功能、超寬帶方向發展，而這些要 求勢必增加天線平臺上的天線數量，加大系統復雜程度，天線之間也會相互產生耦合干擾， 對系統性能產生影響。為了降低系統復雜度和成本，同時實現良好的電磁兼容，可重構天線 無疑成為在滿足系統通信功能的前提下減小天線數量的一種很好的解決方案。天線可重構 方式主要分為頻率可重構、方向圖可重構、極化可重構以及混合可重構。其中方向圖可重構 天線可實現方向圖主波束的偏轉，是未來應用于認知無線電環境中智能天線的發展趨勢。
[0003] 微波頻段的方向圖可重構天線已有較多的研究和發展。目前對于微波頻段方向圖 可重構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、可變電抗、機械可 控結構）等方式來實現。通過相控陣列天線實現方向圖可重構，如文獻"A beam-steerer using reconfigurable PBG ground Plane(2000IEEE AP-S,2000.835-838,Elmaran,Ia〇-Mak Chio.Liang-Yu Chen，et al)"，增大了系統的復雜程度，使系統較龐大。通過加載電子 器件的方式，往往需引入數目較多的開關，結構復雜，設計難度大，且調節過程繁復，調節效 果只能實現天線方向圖離散型可重構。
[0004] 隨著近幾年超材料的發現及快速發展，加載人工電磁超表面來實現可重構天線的 一種方式引起了人們廣泛的關注。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 幾年可重構天線的發展，有源可重構高阻抗表面(Active High Impedance Surface)被提 出來。由于其獨特的性能已經被應用于很多領域，如天線、吸波體和同步噪聲開關設計等。 如果能對HIS的阻抗值進行靈活的調控，那么將為其在實際應用中提供更多的自由設計的 空間。
[0005] 方向圖可重構天線的另一個重要應用領域是太赫茲頻段。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射頻終端的太赫茲天線，是系統中非 常重要的一個組成部分。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計和實現的主要因素。而石墨烯 在太赫茲頻段具有優越的電學特性，尤其是石墨烯的電可調特性給太赫茲可重構天線帶來 了極大的希望。石墨烯作為一種二維平面碳結構具有很多優異的特性，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 內的電導率靈活的可調性，即通過對一定摻雜濃度的石墨烯材料外部施加電場或磁場可對 其電導率進行調節，使其既可表現為絕緣體，也可表現為良導體。這一特性為太赫茲頻段可 重構天線提供了重要的設計依據。文獻"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 墨烯構造三個類似于八木天線的天線引向單元，實現天線方向圖可重構，但不能實現天線 方向圖的連續可重構。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 墨烯材料構造漏波天線，通過改變石墨烯本身的電流分布來構造漏波天線實現天線方向圖 的偏轉，但此系統涉及多個控制單元，結構較為復雜，且可重構角度有限，僅為-45.4°到 37.5。。
【發明內容】
[0006] 本發明旨在克服現有技術存在的不足，構造結構簡單、操作容易、可重構角度大、 適用范圍廣的天線。提出了一種用于方向圖可重構天線的石墨烯高阻抗面，其可在較大角 度范圍（±80°)內實現方向圖的連續可重構，克服了以往使用開關元件、陣列天線等的方向 圖離散型可重構的束縛。同時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 整體設計成本，同時也大大簡化了天線可重構的控制系統，克服了以往需要龐大的天線系 統且后續控制復雜的缺點，真正實現簡單調節，且不損失天線的主瓣增益值。
[0007] 本發明技術方案如下：
[0008] -種用于方向圖可重構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合介質基板、設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] 復合介質基板包括自上而下依次疊加的絕緣層、導體層和低損介質層，在石墨烯 貼片和導體層之間加有直流偏置電壓V。。
[0010] 進一步地，所述高阻抗面是由NXN個正方形高阻抗面單元周期排列而成，其中N多 2〇
[0011] 進一步地，天線輻射單元位于高阻抗面的正上方。
[0012] 進一步地，所述低損介質層厚度h3ag/4,其中18是低損介質層中的導波波長。
[0013] 本發明技術與現有技術如陣列天線、漏波天線、加載電子器件開關天線等形式的 方向圖可重構天線相比，具有如下優點：
[0014] 1.本發明采用加載石墨烯材料的高阻抗面實現天線方向圖的可重構，在石墨烯貼 片與復合介質基板中導體層之間加有直流偏置電壓，通過簡單調節直流偏壓可改變石墨烯 的表面電導率，進而改變高阻抗面的阻抗狀態，從而有效的調控天線單元的電流分布。由于 結構的對稱性，可實現天線方向圖的左右雙向同時可重構。在不損失主瓣增益的基礎上，其 輻射方向可在約± 80°內進行偏轉。
[0015] 2.本發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，根據不同天線輻射單元的形式，適當調控 天線輻射單元與高阻抗面之間的相對位置即可實現增益最大化。其結構簡單，降低了天線 整體設計成本及后續可重構復雜度。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發明提供的基于石墨烯材料高阻抗面的方向圖可重構天線普適結構圖；
[0017] 圖2為本發明提供的基于石墨烯材料高阻抗面的方向圖可重構天線高阻抗單元結 構圖；
[0018] 圖3為本發明提供的基于石墨烯材料高阻抗面的方向圖可重構天線高阻抗單元具 體尺寸標注圖；
[0019] 圖4為本發明第一實施例的天線結構圖；
[0020] 圖5為本發明第二實施例的天線結構圖；
[0021] 圖6為本發明第一實施例的Η面2D方向圖；
[0022]圖7為本發明第二實施例的Η面2D方向圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖和具體實施例，對本發明作進一步詳細描述:本實施例在以本發明 技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體操作過程，但本發明的保護范 圍不限于下述實例。
[0024] 實施例1:
[0025]本實施例為理論驗證例，包括天線輻射單元1和高阻抗面2。
[0026]圖2-3為高阻抗面單元結構示意圖，包括復合介質基板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和貼片左右兩側的石墨烯連接貼片5,復合 介質基板3由自上而下依次疊加的氧化錯層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,用于調節石墨烯的表面電導率;復合介質基板中的 氧化鋁層31用來隔絕多晶硅層32和石墨烯5，形成一個偏壓。
[0027] 參照圖3,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決定，在本實施例中Ν=6，高阻抗面 整體規格為480μηι X 480μηι。
[0028] 復合介質基板3中的氧化鋁層31厚度為1η = 20ηπι，其介電常數為8.9,正切損耗角 為0.01;多晶硅層32厚度h2 = 20nm，其介電常數為3.75，正切損耗角為0.004;玻璃層33介電 常數為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厚度為單個原子量級的厚度，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 烯化學勢能，h為普朗克常量，vf為費米速率(石墨烯中為108cm/S)。
[0032] 石墨烯表面電導率可由Kubo公式表示為：
[0034] 其中T為熱力學溫度滿足T = 300K，Kb為玻爾茲曼常數，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。本發明中通過控制偏 置電壓來改變石墨烯的化學勢，由MATLAB計算得到石墨烯在不同化學勢下的表面阻抗模型 并導入CST中進行計算。
[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不導電，剛好在石 墨烯貼片5和多晶硅層32之間形成一個正向偏置電壓V。。該正向偏置電壓的改變會控制石 墨烯的化學勢能μ。，進而改變石墨烯的表面電導率〇 s，從而改變基于石墨烯設計的高阻抗面 的阻抗狀態，可以有效的調控天線的電流分布。當yc = 0.40ev時，電流峰值集中于天線的中 間部位，故其主瓣方向為垂直于高阻抗面的0°方向，隨著μ。的逐漸降低，電流峰值逐漸由天 線中間位置對稱的沿X軸正負兩側方向偏移，直至偏移至天線的末端，故使得天線的主瓣方 向逐漸向兩側偏轉，可達到± 80°范圍。
[0036]如圖4所示，本實施例天線輻射單元采用簡單偶極子形式，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，采用簡單的離散端口進行饋電，測試基于石墨烯材料高 阻抗面實現可重構天線效果。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] 實施例2:
[0038]實施例2為實際參考例，采用與實施例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。由于本實施例選用的天線輻射單元工作中心頻率f=l.〇3THz與實施例1中 相同，因此所使用的高阻抗面單元相同。
[0039] 參照圖5,該實施例中的高阻抗面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板下表面為第一輻射體，對稱的深灰色貼片 位于介質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，同樣位于介質板上下兩側，對饋 線尺寸進行相應優化，使其匹配天線的輸入阻抗為標準50 Ω。蝶型天線距離高阻抗面高度 hb = 40ym;圖5a為本實施例天線側視圖，圖5b為本實施例天線蝶形輻射單元尺寸標注圖，其 介質基板厚度為d，介電常數為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天線蝶形輻射單元尺寸(單位:μπι)
[0042] 以下結合仿真計算對本發明的技術效果作進一步描述：
[0043] 圖6為實施例1加載偶極子天線輻射單元的天線Η面方向圖，當改變石墨烯與多晶 硅之間的偏置電壓使石墨烯的化學勢能yc = 0.40ev時，天線主瓣輻射方向為0°，主瓣增益 為6.9dBi ;改變偏置電壓使石墨烯化學勢能yc = 0.28ev時，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勢能yc = 0.18ev時，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勢能yc = 0.15eV 時，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 烯化學勢從〇. 40ev到0.1 lev變化，天線由單波束分裂為左右兩側的雙波束，且輻射方向在 ± 80°范圍內連續可調，且幾乎不影響其增益值。
[0044] 可見，實施例1中的天線輻射方向可在改變高阻抗面石墨烯電導率的情況下實現 方向圖可重構，且幾乎不影響天線增益值。
[0045] 圖7為實施例2加載蝶形天線輻射單元的天線Η面方向圖，當改變石墨烯與多晶硅 之間的偏置電壓使石墨稀的化學勢能yc = 〇.50ev時，天線主瓣福射方向為±30°，主瓣增益 為7.3dBi ;改變偏置電壓使石墨烯化學勢能yc = 0.35ev時，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勢能yc = 0.25ev時，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勢能yc = 0.15ev 時，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 稀化學勢從〇. 50ev到0.15ev變化，天線波束逐漸向兩側進行分裂，由原± 30°分裂至± 80°， 期間掃描角度隨化學勢變化連續可調，且幾乎不影響其增益值。
[0046] 綜上所述，本發明所設計的石墨烯高阻抗面可實現天線方向圖可重構，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勢，進而在不 影響天線增益的情況下實現了天線方向圖的大角度連續可重構。
【主權項】
1. 一種用于方向圖可重構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合介質基板、設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. 如權利要求1所述的一種用于方向圖可重構天線的石墨烯高阻抗面，其特征在于:所 述復合介質基板包括自上而下依次疊加的絕緣層、導體層和低損介質層，并且在石墨烯貼 片和導體層之間加有直流偏置電壓V。。3. 如權利要求1所述的一種用于方向圖可重構天線的石墨烯高阻抗面，其特征在于:所 述高阻抗面是由NXN個正方形高阻抗面單元周期排列而成，其中N>2。4. 如權利要求1所述的一種用于方向圖可重構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置有天線輻射單元。5. 如權利要求1所述的一種用于方向圖可重構天線的石墨烯高阻抗面，其特征在于:所 述低損介質層厚度h3a g/4,其中18是低損介質層中的導波波長。6. 如權利要求1所述的一種用于方向圖可重構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. 如權利要求1所述的一種用于方向圖可重構天線的石墨烯高阻抗面，其特征在于:所 述導體層材料為多晶硅。8. 如權利要求1所述的一種用于方向圖可重構天線的石墨烯高阻抗面，其特征在于:所 述低損介質層材料為玻璃。
【文檔編號】H01Q15/00GK106025563SQ201610375611
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月30日
【發明人】梁鋒, 李 浩, 趙德雙, 王秉中
【申請人】電子科技大學