基于石墨烯的波束扫描反射天线阵列及波束扫描方法技术

本发明专利技术实施例提供了基于石墨烯的波束扫描反射天线阵列及波束扫描方法，该反射天线阵列包括：多个石墨烯反射块、介质基底层及接地金属板；每个石墨烯反射块包括多个石墨烯反射单元，石墨烯反射单元位于介质基底层的上表面；同一石墨烯反射块中，相邻的石墨烯反射单元间相互连接；多个石墨烯反射块之间链型连接为多条石墨烯反射块链路；其中，石墨烯反射单元为微米级反射单元；接地金属板位于介质基底层的下表面。石墨烯反射单元为微米级反射单元，能够实现太赫兹频段的波束扫描，能实现反射天线阵列的小型化。

Beam scanning antenna array and beam scanning method based on graphene

The embodiment of the invention provides graphene beam scanning antenna array and beam scanning method based on the antenna array comprises a plurality of graphene reflecting block, medium substrate and grounding metal plate; each block includes a plurality of reflective graphene graphene reflection unit, on the surface of graphene reflecting unit in the media the basal layer; the same graphene reflecting block, graphene reflecting unit connected between adjacent chain type; multiple reflection between graphene blocks are connected into a plurality of graphene reflecting block link; the graphene reflection unit is micron reflection unit; under the surface of the ground metal plate is arranged on the medium substrate the. The reflection unit of the graphene is a micron level reflection unit, which can realize the beam scanning of the terahertz band, and can realize the miniaturization of the reflector antenna array.

【技术实现步骤摘要】
基于石墨烯的波束扫描反射天线阵列及波束扫描方法
本专利技术涉及无线通信
，特别是涉及基于石墨烯的波束扫描反射天线阵列及波束扫描方法。
技术介绍
波束扫描在无线和传感系统(包括卫星通信和雷达)有着广泛的应用。传统的口径天线，通过使用机械扫描实现自适应扫描，但其扫描速度受到机械电机转动速率的限制，因而扫描速度慢。相控阵天线阵列允许以电子灵活性实时重新配置和扫描波束图案，但是相控阵天线的馈电网络复杂度高且能耗高，导致实施成本高。与上述天线相比，平面反射阵列天线具有波束扫描方便，辐射效率高等优点。现有的平面反射阵列天线，反射单元为变容二极管、PIN二极管开关或MEMS(MicroElectroMechanicalSystems，微电子机械系统)开关等离散元件，通过改变单元谐振尺寸实现反射相位的改变，再通过合理的组阵规则，实现单元间的相位差动态可调，从而实现波束扫描。然而，随着波束频率的升高，离散元件的尺寸也需要相应减小，现有的平面反射阵列天线无法对频率高(如太赫兹频段)的波束进行扫描。
技术实现思路
本专利技术实施例的目的在于提供一种基于石墨烯的波束扫描反射天线阵列及波束扫描方法，以实现对频率高的波束进行扫描。具体技术方案如下：第一方面，本专利技术实施例提供了一种基于石墨烯的波束扫描反射天线阵列，所述反射天线阵列包括：多个石墨烯反射块(101)、介质基底层(102)及接地金属板(103)；每个所述石墨烯反射块(101)包括多个石墨烯反射单元(1011)，所述石墨烯反射单元(1011)位于所述介质基底层(102)的上表面；同一所述石墨烯反射块(101)中，相邻的所述石墨烯反射单元(1011)间相互连接；多个所述石墨烯反射块(101)之间链型连接为多条石墨烯反射块链路；其中，所述石墨烯反射单元(1011)为微米级反射单元；所述接地金属板(103)位于所述介质基底层(102)的下表面。可选的，所述反射天线阵列还包括：多个电极(104)；多个所述电极(104)包括正电极和负电极，其中，所述正电极的数量和与所述石墨烯反射块链路的数量相同，所述正电极和所述负电极分别与所述石墨烯反射块链路的两端电连接。可选的，每个所述正电极仅与一条所述石墨烯反射块链路的一端电连接，所述石墨烯反射块链路的另一端与所述负电极电连接。可选的，所述正电极和所述负电极均为铜电极，厚度均为5微米。可选的，所述介质基底层(102)由聚对苯二甲酸乙二醇酯材料制成，所述接地金属板(103)为铜板。可选的，所述介质基底层(102)的厚度为125微米，所述接地金属板(103)的厚度为5微米。可选的，所述石墨烯反射单元(1011)中心为石墨烯正方形结构，所述石墨烯正方形结构每条边的中心连接一个石墨烯矩形拼接块。可选的，所述石墨烯正方形结构的边长为50微米，所述石墨烯矩形拼接块与所述石墨烯正方形结构连接的第一边的边长为10微米，与所述第一边相邻的第二边的边长为5微米。第二方面，本专利技术实施例提供了一种波束扫描的方法，应用于上述第一方面任一种基于石墨烯的波束扫描反射天线阵列，所述方法包括：获取波束扫描的扫描角；通过预设的相位差算法，确定所述扫描角对应的列相位差，其中，所述列相位差为相邻石墨烯反射块链路间的补偿相位的相位差；根据所述列相位差，确定每条所述石墨烯反射块链路的补偿相位；获取预设的第一映射关系，其中，所述第一映射关系为预先测得的所述石墨烯反射块链路的馈电电压与补偿相位的映射关系；根据每条所述石墨烯反射块链路的补偿相位，查找所述第一映射关系，确定每条所述石墨烯反射块链路的馈电电压，并为每条所述石墨烯反射块链路添加相应的馈电电压。可选的，所述通过预设的相位差算法，确定所述扫描角对应的列相位差，包括：根据计算偏转反射波束角θr，其中，θr'为所述扫描角，a为所述石墨烯反射块中除所述石墨烯反射单元外的面积，b为所述石墨烯反射块中所述石墨烯反射单元的面积；根据计算所述列相位差ΔΦ，其中，λ0为反射波束的波长，d为相位补偿距离。可选的，在所述波束扫描的方法中使用的波束的频率为1.095THz。本专利技术实施例提供的基于石墨烯的波束扫描反射天线阵列及波束扫描方法，包括：多个石墨烯反射块、介质基底层及接地金属板；所述石墨烯反射块包括多个石墨烯反射单元，所述石墨烯反射单元位于所述介质基底层的上表面；同一所述石墨烯反射块中，相邻的所述石墨烯反射单元间相互连接；多个所述石墨烯反射块之间链型连接为多条石墨烯反射块链路；其中，所述石墨烯反射单元为微米级反射单元；所述接地金属板的上表面位于所述介质基底层的下表面上。用石墨烯材料作为反射单元，反射单元的大小能够达到微米级，可以实现对频率高的波束进行扫描。当然，实施本专利技术的任一产品或方法必不一定需要同时达到以上所述的所有优点。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例的基于石墨烯的波束扫描反射天线阵列的主视图；图2a为本专利技术实施例的基于石墨烯的波束扫描反射天线阵列的石墨烯反射单元的第一种示意图；图2b为本专利技术实施例的基于石墨烯的波束扫描反射天线阵列的石墨烯反射单元的第二种示意图；图2c为本专利技术实施例的基于石墨烯的波束扫描反射天线阵列的石墨烯反射单元的第三种示意图；图3为本专利技术实施例的基于石墨烯的波束扫描反射天线阵列的石墨烯反射块的示意图；图4为本专利技术实施例的基于石墨烯的波束扫描反射天线阵列的一种俯视图；图5为本专利技术实施例的基于石墨烯的波束扫描反射天线阵列的另一种俯视图；图6为本专利技术实施例的基于石墨烯的波束扫描反射天线阵列的馈电示意图；图7为本专利技术实施例的波束扫描方法的流程示意图；图8为本专利技术实施例的反射波束的一种示意图；图9为本专利技术实施例的反射波束的另一种示意图；图10a为本专利技术实施例的不同馈电电压下波束的频率与反射系数幅值的曲线图；图10b为本专利技术实施例的不同馈电电压下波束的频率与反射系数相位的曲线图；图11为本专利技术实施例的波束为1.095THz时，不同馈电电压下反射系数的幅值与相位的曲线图；图12为本专利技术实施例的不同列相位差的反射波束的扫描角度的示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。平面反射天线阵列通过对放射单元的反射幅度和相位进行设计，合理组合成阵列，可以实现辐射效率高的波束扫描。现有的平面反射阵列天线，反射单元为变容二极管、PIN二极管开关或MEMS开关等离散元件。然而，随着波束频率的升高，离散元件的尺寸也需要相应减小，现有的平面反射阵列天线中的离散元件的尺寸已经不能满足高频率的波束扫描。并且，上述离散元件带来的损耗也不容忽视，例如性能较好的MEMS开关插入损耗约为0.4dB。专利技术人在研究过程中发现，石墨烯作为天然的二维材料，具有出色的电压可调的电特性，可以使用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于石墨烯的波束扫描反射天线阵列，其特征在于，所述反射天线阵列包括：多个石墨烯反射块(101)、介质基底层(102)及接地金属板(103)；每个所述石墨烯反射块(101)包括多个石墨烯反射单元(1011)，所述石墨烯反射单元(1011)位于所述介质基底层(102)的上表面；同一所述石墨烯反射块(101)中，相邻的所述石墨烯反射单元(1011)间相互连接；多个所述石墨烯反射块(101)之间链型连接为多条石墨烯反射块链路；其中，所述石墨烯反射单元(1011)为微米级反射单元；所述接地金属板(103)位于所述介质基底层(102)的下表面。

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯的波束扫描反射天线阵列，其特征在于，所述反射天线阵列包括：多个石墨烯反射块(101)、介质基底层(102)及接地金属板(103)；每个所述石墨烯反射块(101)包括多个石墨烯反射单元(1011)，所述石墨烯反射单元(1011)位于所述介质基底层(102)的上表面；同一所述石墨烯反射块(101)中，相邻的所述石墨烯反射单元(1011)间相互连接；多个所述石墨烯反射块(101)之间链型连接为多条石墨烯反射块链路；其中，所述石墨烯反射单元(1011)为微米级反射单元；所述接地金属板(103)位于所述介质基底层(102)的下表面。2.根据权利要求1所述的反射天线阵列，其特征在于，所述反射天线阵列还包括：多个电极(104)；多个所述电极(104)包括正电极和负电极，其中，所述正电极的数量和与所述石墨烯反射块链路的数量相同，所述正电极和所述负电极分别与所述石墨烯反射块链路的两端电连接。3.根据权利要求2所述的反射天线阵列，其特征在于，每个所述正电极仅与一条所述石墨烯反射块链路的一端电连接，所述石墨烯反射块链路的另一端与所述负电极电连接。4.根据权利要求3所述的反射天线阵列，其特征在于，所述正电极和所述负电极均为铜电极，厚度均为5微米。5.根据权利要求1所述的反射天线阵列，其特征在于，所述介质基底层(102)由聚对苯二甲酸乙二醇酯材料制成，所述接地金属板(103)为铜板。6.根据权利要求5所述的反射天线阵列，其特征在于，所述介质基底层(102)的厚度为125微米，所述接地...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚远，殷越，俞俊生，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京,11