加載石墨烯去耦網絡的微帶陣列天線的制作方法
【專利摘要】本發明公開一種加載石墨烯去耦網絡的微帶陣列天線，包括介質板、以及覆于介質板表面的金屬地板和2個以上的相互獨立的天線陣列單元；2個相鄰的天線陣列單元之間設有石墨烯層；該石墨烯層覆于介質板上，且與天線陣列單元之間存在一定的間隙；石墨烯層與一外置直流偏置電壓相連接。本發明能夠有效降低微帶陣列天線中輻射貼片之間的電磁耦合，從而實現陣列天線的緊湊型結構。
【專利說明】
加載石墨稀去輔網絡的微帶陣列天線
技術領域
[0001] 本發明設及天線及超材料技術領域，具體設及一種加載石墨締去禪網絡的微帶陣 列天線。
【背景技術】
[0002] 微帶陣列天線因其重量輕、成本低、易加工和便于共形等諸多優點，已經廣泛應用 于飛機、衛星和導彈等無線通信系統。但是通常認為微帶陣列天線單元間距應大于二分之 一波長，才能避免福射單元間的禪合相互影響，W保證天線的福射性能。然而，尺寸受限的 通訊設備往往無法提供微帶陣列天線所需的間距，因此，W當前對天線的需求來看，尺寸大 小早已成為天線應用的決定性因素。
[0003] 目前，天線陣列間的去禪工作常見的有缺陷地結構(DGS)和諧振結構。其中缺陷地 結構是在微帶天線地板上開槽或制作其他周期結構，其缺點在于構成缺陷地結構的晶格， 尺寸偏大，導致最終的去禪網絡所需面較大。諧振結構雖然能夠有效降低單元間的禪合，保 證隔離度，但是諧振結構會損耗一大部分電磁能量，影響天線陣列整體的福射性能。
【發明內容】
[0004] 本發明所要解決的技術問題是現有微帶陣列天線存在尺寸大和單元隔離度差的 問題，提供一種加載石墨締去禪網絡的微帶陣列天線，能夠有效降低微帶陣列天線中福射 貼片之間的電磁禪合，從而實現陣列天線的緊湊型結構。
[0005] 為解決上述問題，本發明是通過W下技術方案實現的：
[0006] 加載石墨締去禪網絡的微帶陣列天線，包括介質板、W及覆于介質板表面的金屬 地板和2個W上的相互獨立的天線陣列單元;2個相鄰的天線陣列單元之間設有石墨締層； 該石墨締層覆于介質板上，且與天線陣列單元之間存在一定的間隙；石墨締層與一外置直 流偏置電壓相連接。
[0007] 上述方案中，石墨締層通過一二氧化娃基底和和單晶娃襯底覆于介質板上；其中 石墨締層的下表面與二氧化娃基底的上表面相貼，二氧化娃基底的下表面與單晶娃襯底的 上表面相貼，單晶娃襯底的下表面與介質板的上表面相貼。
[000引上述方案中，外置直流偏置電壓的一端與石墨締層連接，外置直流偏置電壓的另 一端與單晶娃襯底連接。
[0009] 上述方案中，所有天線陣列單元的結構相同。
[0010] 上述方案中，每個天線陣列單元均由福射貼片、阻抗匹配器和饋線組成;福射貼片 覆于介質板的表面上，福射貼片經由阻抗匹配器與饋線連接。
[0011] 上述方案中，阻抗匹配器和饋線也覆于介質板的表面上。
[0012] 上述方案中，金屬地板位于介質板的下表面，所有天線陣列單元均位于介質板的 上表面。
[0013] 與現有技術相比，本發明具有如下特點：
[0014] I.對于不同天線陣，可W通過調整石墨締的偏置電壓和尺寸來提高陣元間的隔離 度；
[0015] 2.利用石墨締降低陣元間的電磁互禪，不會改變天線的工作頻率和帶寬；
[0016] 3.利用石墨締降低陣元間的電磁互禪，能夠在保證天線福射性的能情況下，將陣 元間的距離壓縮到小于0.05倍波長。
【附圖說明】
[0017] 圖1為一種加載石墨締去禪網絡的微帶陣列天線的立體結構示意圖。
[0018] 圖2為圖1的俯視圖。
[0019] 圖3為石墨締偏壓加載方式示意圖。
[0020] 圖4為基于石墨締去禪的陣列天線的S參數仿真數據圖。
[0021] 圖5為加載與未加載石墨締遠場方向仿真對比圖；其中(a)為E面、(b)為H面。
[0022] 圖中標號：1、介質板；2、石墨締；3、二氧化娃基底;4、單晶娃襯底；5、天線陣列單 元;5-1、饋線;5-2、阻抗匹配器;5-3、福射貼片;6、金屬地板。
【具體實施方式】
[0023] -種加載石墨締2去禪網絡的微帶陣列天線，如圖1和2所示，由介質板1、金屬地板 6、W及2個W上的相互獨立的天線陣列單元5組成。金屬地板6和天線陣列單元5可W位于介 質板1的同一側表面上，也可W位于介質板1的不同側表面上。在本發明優選實施例中，金屬 地板6位于介質板1的下表面，所有天線陣列單元5均位于介質板1的上表面。
[0024] 介質板1作為陣列天線的介質板1，長X寬X厚為160mmX95mmX0.8mm，相對介電 常數為4.4,損耗角正切為0.02。介質板1邊緣距福射貼片5-3邊緣距離略大于四分之一波 長，使得福射貼片5-3與金屬地板6的良好作用，保證天線福射性能。
[0025] 天線陣列單元5為印刷在介質板1上的金屬結構層，所有天線陣列單元5的結構相 同，相互之間存在一定的間距。天線陣列單元5的尺寸是由介質板1介電常數、損耗角正切、 厚度和天線工作頻率決定。在本發明優選實施例中，每個天線陣列單元5均由福射貼片5-3、 阻抗匹配器5-2和饋線5-1組成。福射貼片5-3經由阻抗匹配器5-2與饋線5-1連接，阻抗轉換 器使得微帶天線邊緣阻抗與饋線5-1端口輸入阻抗達成匹配，W良好饋電。福射貼片5-3需 覆于在介質板1的表面上，而阻抗匹配器5-2和饋線5-1可W采用外接的形式（比如背饋或底 饋），也可W采用覆于在介質板1表面的形式。在本發明優選實施例中，阻抗匹配器5-2和饋 線5-1也覆于介質板1表面上，即為微帶饋電。去禪網絡是位于兩幅射貼片之間進行電磁波 的抑制，不受于饋電形式的限制
[0026] 金屬地板6為印刷于介質板1上的覆蓋金屬層。在本發明優選實施例中，金屬地板6 全覆蓋于介質板1的下表面。金屬地板6與天線陣列單元5的福射貼片5-3相互作用，兩者共 同構成雙線結構，保證天線的正常工作。
[0027] 為了在有限的尺寸內減小天線陣列單元5之間的相互影響，本發明在2個相鄰的天 線陣列單元5之間增設石墨締2層來構建去禪網絡。石墨締2層與天線陣列單元5之間存在一 定的間隙。石墨締2層可W直接覆蓋在介質板1上，也可W通過一二氧化娃基底3和單晶娃襯 底4覆于介質板1上。在本發明優選實施例中，石墨締2附于尺寸相同的二氧化娃基片上，石 墨締2層位于二氧化娃基底3的上表面，二氧化娃基底3的下表面與相同尺寸的單晶娃襯底4 上表面相貼，單晶娃襯底4與介質板1的上表面相貼。石墨締2層附著在二氧化娃基底3上并 貼在單晶娃襯底4上作為一個整體，置于天線陣列單元5福射貼片5-3之間，緊貼在介質板1 上。在本發明優選實施例中，二氧化娃基底3的厚度為200nm，相對介電常數為3.9,單晶娃襯 底4厚度為9.5um，相對介電常數為11.9。二氧化娃基底3和單晶娃襯底4厚度會影響石墨締2 去禪的頻率范圍。石墨締2層是附著于二氧化娃基底3的厚度視為O的阻抗型表面。由于石墨 締2可W通過外置偏壓進行調控，不同偏壓下的石墨締2呈不同的電導率，從而調控表面電 磁波在石墨締2表面的傳輸特性。在某些特定的偏置電壓下，表面波被完全截止。因此，本發 明將石墨締2層與一外置直流偏置電壓相連接，通過給石墨締2施加直流偏置電壓，調整偏 置電壓，W控制石墨締2對表面電磁波的傳輸和截止特性，從而極大程度地抑制了相鄰天線 陣列單元5間的電磁互禪，從而達到去禪目的。外置直流偏置電壓可W采用直接加載的形 式，也可W如本發明優選實施例所述，將外置直流偏置電壓的一端與石墨締2層連接，外置 直流偏置電壓的另一端與單晶娃襯底4連接。參見圖3。
[0028] 參見圖1，在Y方向石墨締2邊緣加載電極，W便對石墨締2加偏置電壓，進而控制石 墨締2的費米能級，進一步控制石墨締2的表面阻抗，抑制表面波的傳輸，最終實現電磁互禪 的抑制。且石墨締2的長(Y方向）與寬(X方向）對電磁波的去禪效果與去禪頻段會產生一定 影響。通過對石墨締2尺寸與偏壓進行優化分析，使加載石墨締2的天線陣列在工作頻段內， Sll與S21都盡可能小。本發明利用石墨締2極大限度地降低了因陣元間間距太小而引起的 電磁禪合效應。從而極大限度地降低甚至消除了每個陣元的福射特性受相鄰陣元的影響， 最終實現陣列天線的緊湊型結構。
[0029] 將石墨締2看作電導率表面，其電導率由Kubo公式得到，由帶內電導率和帶間電導 率構成：
[0030]
[0031]
[0032]
[0033] 其中，e，&加分別是電荷量，普朗克常數，波茲曼常數，T是室溫300K。!!。化F)為石墨 締2費米能級。r為散射率，其中T = IIZt "是電子弛豫時間。對于頻率較低的微波(相對于光 頻段），影響石墨締2的表面電導率率主要是〇intra(?,U。，r，T)。
[0034] 通過改變石墨締2偏置電壓Vg進而改變其費米能級Ef，即改變石墨締2化學式，石墨 締2所表現的阻抗也會隨之改變，進一步對電磁波調控，表面電磁波被抑制，達到天線陣列 陣元間禪合降低的效果。
[0035] 本發明優選仿真案例中：天線陣列工作中屯、頻率為2.4G化，工作帶寬大于30MHz， 福射貼片5-3邊緣間距為10mm，約為0.08倍波長，該波長為2.4G化頻率下自由空間波長。饋 電端口位于介質板1側邊，其中天線組件尺寸：L1 = 19.3mm，Wl = 2.5mm，L2 = 20mm，W2 = 0.86mm，L3 = 28.4mm，W3 = 36.74mm。石墨締2尺寸長Lg = 29.4mm位于福射貼片5-3之間，但不 與其連接，且緊貼于介質板1。所加載石墨締2費米能級為0.7eV經計算，實際加載偏壓為 131.7V，該偏置電壓能通過減少二氧化娃的厚度進一步降低。該天線陣列的S參數仿真結果 如圖4所示，由圖可知，工作在頻率2.4GHz，該天線陣列在未加載基于石墨締2的去禪網絡 時，隔罔度S21將近-15dB，而加載了石墨締2去禪網絡后，隔罔度降至-35dB左右。且在互禪 極大程度降低的情況下，天線的工作帶寬并不受影響。
[0036] 圖5為加載與未加載石墨締2遠場方向仿真對比圖。圖5(a)為共面極化與交叉極化 遠場E面圖。可W看出，在加載了石墨締2結構后，天線的共面極化E面圖無變化，交叉極化明 顯降低峰值從-14.4地降低至-16.5地，福射性能得到了改善。圖5(b)的共面極化與交叉極 化遠場H面圖。可W看出，加載了石墨締2結構后，天線福射主瓣寬度由80.2°降至79.2°，方 向性有所改善。
[0037] 本發明設計的一種利用石墨締2進行陣列天線單元間的去禪合網絡，在保證天線 單元優良的帶寬與福射性能情況下，極大降低了陣列間的電磁互禪，并提高了天線的增益， 改善了天線的福射性能。利用石墨締2對天線單元間去禪具有去禪效果好、無頻偏、天線結 構更緊湊等優點。
[0038] W上介紹了本發明的原理、特性、功能W及相關優點，需要指出的是：W上仿真案 例僅用于說明本發明的技術方案，并非限制。對于本行業內的相關人員來說，在不脫離本發 明原理的前提下，所進行的改進也應視為本發明的保護范圍。同時，結合縮比原理，該方法 仍然能夠用于THz頻段中貼片型陣列天線中的電磁去禪問題。
【主權項】
1. 加載石墨烯(2)去耦網絡的微帶陣列天線，包括介質板（1)、以及覆于介質板（1)表面 的金屬地板(6)和2個以上的相互獨立的天線陣列單元(5);其特征在于:2個相鄰的天線陣 列單元(5)之間設有石墨烯(2)層;該石墨烯(2)層覆于介質板（1)上，且與天線陣列單元(5) 之間存在一定的間隙;石墨烯(2)層與一外置直流偏置電壓相連接。2. 根據權利要求1所述的加載石墨烯（2)去耦網絡的微帶陣列天線，其特征在于:石墨 烯（2)層通過一二氧化硅基底(3)和和單晶硅襯底(4)覆于介質板（1)上；其中石墨烯（2)層 的下表面與二氧化硅基底(3)的上表面相貼，二氧化硅基底(3)的下表面與單晶硅襯底(4) 的上表面相貼，單晶硅襯底(4)的下表面與介質板(1)的上表面相貼。3. 根據權利要求2所述的加載石墨烯（2)去耦網絡的微帶陣列天線，其特征在于：外置 直流偏置電壓的一端與石墨烯(2)層連接，外置直流偏置電壓的另一端與單晶硅襯底(4)連 接。4. 根據權利要求1所述的加載石墨烯（2)去耦網絡的微帶陣列天線，其特征在于:所有 天線陣列單元(5)的結構相同。5. 根據權利要求1或4所述的加載石墨烯(2)去耦網絡的微帶陣列天線，其特征在于:每 個天線陣列單元(5)均由輻射貼片(5-3)、阻抗匹配器(5-2)和饋線(5-1)組成;輻射貼片(5-3)覆于介質板(1)的表面上，輻射貼片(5-3)經由阻抗匹配器(5-2)與饋線(5-1)連接。6. 根據權利要求5所述的加載石墨烯（2)去耦網絡的微帶陣列天線，其特征在于：阻抗 匹配器(5-2)和饋線(5-1)也覆于介質板(1)的表面上。7. 根據權利要求1所述的加載石墨烯（2)去耦網絡的微帶陣列天線，其特征在于:金屬 地板(6)位于介質板(1)的下表面，所有天線陣列單元(5)均位于介質板(1)的上表面。
【文檔編號】H01Q1/52GK106099366SQ201610741404
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月26日
【發明人】高喜, 喬瑋, 楊萬里, 李思敏, 曹衛平, 姜彥南, 于新華
【申請人】桂林電子科技大學