基于石墨烯复合结构频率选择表面的方向图可重构天线制造技术

本发明专利技术提出了一种基于石墨烯复合结构频率选择表面的方向图可重构天线，用于解决现有技术不能灵活改变天线增益和波束带宽的问题。包括矩形波导馈线、矩形辐射单元、反射板、频率选择表面和直流偏压Vc；频率选择表面包括自上而下层叠的石墨烯复合结构、介质基板和正方形贴片阵列或石墨烯复合结构，石墨烯复合结构由依次叠加的石墨烯层、氧化铝层和多晶硅层组成，在石墨烯层和多晶硅层之间加载有直流偏压Vc；反射板上设置有矩形辐射单元，反射板上面通过四个支撑柱固定有频率选择表面，其下面固定有矩形波导馈线。本发明专利技术可以灵活改变天线的辐射增益和波束宽度，实现毫米波天线方向图的可重构。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于天线
，涉及一种通过石墨烯加载的复合型频率选择表面调整辐射方向图的可重构天线，可用于毫米波通信系统射频终端的信号发射和接收。
技术介绍
天线作为一种用来发射或接收无线电波的部件是无线通信系统中不可缺少的组成部分。随着无线通信飞速发展,对天线的要求也越来越高。一方面,需要使天线能够工作在多个频带,具有多种工作模式并具有良好的传输性能。另一方面,又要减轻天线的重量、减小天线体积并降低成本。正是由于这样的需求,可重构天线的概念才被提出并且得到发展，经过这几年对可重构天线的研究和实验验证，可重构天线正是能解决这些问题的一个行之有效的方法。可重构天线按功能分为：频率可重构天线(包括实现宽频带和实现多频带)、方向图可重构天线、极化可重构天线和多电磁参数可重构天线。通过改变可重构天线的结构可以使天线的频率、方向图、极化方式等多种参数中的一种或几种实现重构。这样可以通过切换天线不同的状态使天线具有多种工作模式，有利于在传输中实现多种有效的分集。因此，可重构天线作为一种新型天线即将成为下一代无线通信系统中的核心技术之一。方向图可重构天线主要是通过控制天线表面电流分布控制天线的辐射方向，表现有两种，一种是改变天线最大辐射方向；另一种是改变天线的增益大小和波束宽度。目前的方向图可重构天线主要通过加载可变电抗、机械可控结构、可调开关器件和可控频率选择表面来来实现，随着近几年超材料的快速发展和应用，加载可控频率选择表面作为实现可重构天线的一种方式引起了广泛的关注。频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)是一种二维周期性阵列结构,就其本质而言是一个空间滤波器，与电磁波相互作用表现出明显的带通或带阻的滤波特性,被广泛应用在电磁频谱的各个波段上，如雷达罩带通滤波器、卫星通信用的频率分离器和极化分离器。频率选择表面有两种：贴片类型也叫介质类型，开槽类型也叫波导类型。贴片类型是在介质表面周期性的标贴同样的金属单元，一般而言是作为带阻型滤波器的，低频透射，高频反射；开槽类型是在金属板上周期性的开一些金属单元的槽孔，从频率特性相应上看是带通型频率选择表面，低频反射，高频透射。频率选择表面的应用有以下几类：1.雷达罩：通过安装频率选择表面减少雷达散射截面积。2.卡塞哥伦天线副反射面：实现波束的复用与分离。3.准光滤波器：实现波束的复用与分离。4.吸波材料：基于高损耗的介质，可以实现大带宽的吸波材料。5.极化扭转：折线形的频率选择表面是一个线极化变成圆极化的极化扭转器。6.天线主面：降低带外的噪声。随着最近几年可重构天线的发展，有源可重构频率选择表面(Active Frequency Selective Surface)被提出来。有源可重构频率选择表面的谐振频率、带宽、带外抑制等电气性能可以通过外部控制实时发生改变,在复杂多变的电磁环境中具有较好的适应能力。但是因为频率选择表面的结构复杂，且通过调节每个单元的透射和反射特性来实现天线的方向图可重构目前还存在很多困难。随着表面电导率可调的石墨烯的出现，为通过这种有源频率选择表面实现天线方向图可重构提供了一种途径。石墨烯作为一种二维平面碳结构具有很多优异特性，例如最薄材料(单层原子厚)；最硬材料、极高的载流子迁移率、具有柔韧性和透光性、电导率可以通过外部电场和磁场进行调节等。石墨烯的这些优良特性可以被用来设计各种新型纳米器件或者透明导电材料，例如透明电极，光学调制器，极化器，等离子器件，光子探测器，超棱镜和吸波器件等。可重构天线是未来天线发展的方向，通过加载电子器件或使用机械方法等来改变天线辐射体的结构，天线的谐振特性和辐射特性就会得到大幅扩展，不仅能满足当代通讯信道多变，高速率的要求，又能极大地降低通讯平台上天线的数量，简化电磁环境，具有重要的实用价值。目前有很多文献都是基于改变天线最大辐射方向的方向图可重构天线，实现了最大辐射方向的改变但是天线的增益却无法达到要求指标，例如在2015年，Xu-Chen Wang,Wen-Sheng Zhao等人在IEEE TRANSACTIONS ON NANOTECHNOLOGY期刊(VOL.14,NO.1,JANUARY 2015)上发表了题目为“Reconfigurable Terahertz Leaky-Wave Antenna Using Graphene-Based High-Impedance Surface”的文章，该文中提出了一种用石墨烯高阻抗表面作为地板形成一种在太赫兹频段方向图可重构的天线，主要是对方向图的最大辐射方向进行改变，但是不能改变天线的增益和波束宽度，因而应用范围较窄。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提出了一种基于石墨烯复合结构频率选择表面的方向图可重构天线，用于解决现有方向图可重构天线不能灵活改变天线的增益和波束宽度的问题，可以满足现代通信系统对毫米波天线方向图灵活多变的需求。为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：一种基于石墨烯复合结构频率选择表面的方向图可重构天线，包括波导馈线、辐射单元、反射板和频率选择表面，频率选择表面5包括介质基板50、粘贴在其上表面的石墨烯复合结构和印制在其下表面的正方形贴片阵列54或粘贴在其下表面的石墨烯复合结构，石墨烯复合结构由自上而下依次叠加的石墨烯层51、氧化铝层52和多晶硅层53组成,在石墨烯层51和多晶硅层53之间增加有直流偏压Vc 6；频率选择表面5通过四个支撑柱4固定在反射板3的上方，形成法布里-珀罗FP谐振腔；反射板3的中心位置设置有矩形辐射单元2，在反射板3的下表面矩形辐射单元2位置固定有矩形波导馈线1。上述的基于石墨烯复合结构频率选择表面的方向图可重构天线，介质基板50上下表面粘贴的石墨烯复合结构相互对称。上述的基于石墨烯复合结构频率选择表面的方向图可重构天线，印制在介质基板50下表面的正方形贴片阵列是由N×N个正方形贴片周期排列而成，其中N≥2。上述的基于石墨烯复合结构频率选择表面的方向图可重构天线，矩形波导馈线1的长和宽分别a和b，且满足：λ/2＜a＜λ，a/b≈2.2,其中λ为矩形波导馈线1的主模工作波长。上述的基于石墨烯复合结构频率选择表面的方向图可重构天线，反射板3采用正方形金属板材。上述的基于石墨烯复合结构频率选择表面的方向图可重构天线，矩形辐射单元2的尺寸满足a/2＜a1＜3a/4，b/4＜b1＜b\本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于石墨烯复合结构频率选择表面的方向图可重构天线，包括波导馈线、辐射单元、反射板和频率选择表面，其特征在于：所述频率选择表面(5)包括介质基板(50)、粘贴在其上表面的石墨烯复合结构和印制在其下表面的正方形贴片阵列(54)或粘贴在其下表面的石墨烯复合结构，所述石墨烯复合结构由自上而下依次叠加的石墨烯层(51)、氧化铝层(52)和多晶硅层(53)组成,在石墨烯层(51)和多晶硅层(53)之间增加有直流偏压Vc(6)；频率选择表面(5)通过四个支撑柱(4)固定在反射板(3)的上方，形成法布里‑珀罗FP谐振腔；反射板(3)的中心位置设置有矩形辐射单元(2)，在反射板(3)的下表面矩形辐射单元(2)位置固定有矩形波导馈线(1)。

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯复合结构频率选择表面的方向图可重构天线，包括波导馈
线、辐射单元、反射板和频率选择表面，其特征在于：所述频率选择表面(5)
包括介质基板(50)、粘贴在其上表面的石墨烯复合结构和印制在其下表面的正方
形贴片阵列(54)或粘贴在其下表面的石墨烯复合结构，所述石墨烯复合结构由
自上而下依次叠加的石墨烯层(51)、氧化铝层(52)和多晶硅层(53)组成,
在石墨烯层(51)和多晶硅层(53)之间增加有直流偏压Vc(6)；频率选择表
面(5)通过四个支撑柱(4)固定在反射板(3)的上方，形成法布里-珀罗FP
谐振腔；反射板(3)的中心位置设置有矩形辐射单元(2)，在反射板(3)的下
表面矩形辐射单元(2)位置固定有矩形波导馈线(1)。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯复合结构频率选择表面的方向图可重
构天线，其特征在于介质基板(50)上下表面粘贴的石墨烯复合结构相互对称。
3.根据权利要求2所述的基于石墨烯复合结构频率选择表面的方向图可重
构天线，其特征在于印制在介质基板(50)下表面的正方形贴片阵列是由N×N
个正方形贴片周期排列而...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴边，张振龙，赵雨桐，赵勋旺，林磊，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61