一种宽带纳米天线制造技术

本实用新型专利技术公开了一种宽带纳米天线，所述天线包括介质基板、设置于介质基板上的第一天线臂、设置于介质基板上的第二天线臂，以及用于连接第一天线臂和第二天线臂的接收端口P1，所述第一天线臂和第二天线臂均为采用石墨烯制作的阿基米德螺旋线；所述阿基米德螺旋线的宽度等于螺旋线圈之间的缝隙的宽度；所述介质基板为采用硅或二氧化硅制作的长方体。本实用新型专利技术提供的宽带纳米天线具有宽带性、可调性和圆极化特性，该天线结构简单，易于集成，且在使用中更加灵活高效；对于宽带纳米系统，如通信、传感和分子光谱分析等领域具有非常重要的意义。

【技术实现步骤摘要】

本技术属于纳米通信
，具体涉及一种基于石墨烯的宽带纳米天线。
技术介绍
等离子体纳米天线在纳米通信、化学和生物传感、集光和光谱学等领域有广泛应用。传统金属由于电子迁移率低、损耗大和等离子体频率高等特点，不适合用作纳米天线。石墨烯以其众多独特的性质，自被发现以来就受到了极大重视。石墨烯能够支持表面等离子体激元（SPP），并且石墨烯中SPP的频率远小于它在金属中的频率，因此石墨烯天线的尺寸远小于金属，从而能良好地集成到纳米系统中。此外，石墨烯的电导率可以通过偏置电压来改变，从而能够调节天线的谐振特性，而不需要改变几何尺寸，这也是石墨烯材料区别于于金属的一大特点，因此石墨烯天线的小型化和可调性使得它具有很大的实用价值。中国专利CN105161832A和CN204011707U介绍了基于石墨烯的单极天线和偶极天线，这些天线的谐振频率和辐射方向图可通过调节石墨烯的偏置电压来调节。中国专利CN103647150A提供了一种基于石墨烯太赫兹天线及其通信方法，该天线的工作频率可通过偏置电压控制。中国专利CN104134870A公开了基于石墨烯的微带贴片天线的制备方法。在以上专利技术中，天线本体采用的是偶极天线或贴片天线，这些天线是窄带天线，带宽相对较窄，在宽带系统中应用受限；此外，这些天线都是线极化天线，在实际应用中不如圆极化天线灵活高效，难以满足通信系统要求。为了满足宽带纳米通信系统和宽带分子光谱学等领域的应用，急需开发一种结构简单的基于石墨烯的宽带纳米天线。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种结构简单、灵活高效的基于石墨烯的宽带纳米天线。本技术的目的是这样实现的，宽带纳米天线包括介质基板、设置于介质基板上的第一天线臂、设置于介质基板上的第二天线臂，以及用于连接第一天线臂和第二天线臂的接收端口P1，所述第一天线臂和第二天线臂均为采用石墨烯制作的阿基米德螺旋线；所述阿基米德螺旋线的宽度均等于螺旋线圈之间的缝隙的宽度；所述介质基板为采用硅或二氧化硅制作的长方体。本技术提供的宽带纳米天线具有宽带性、可调性和圆极化特性；构成第一天线臂和第二天线臂的阿基米德螺旋线具有自相似特性，其电尺寸可以在很宽的频带范围内保持不变，自互补结构使得它的输入阻抗在整个带宽范围内变化极小，从而获得宽带特性；所述阿基米德螺旋线采用石墨烯制作，石墨烯的表面电导率依赖于化学势，而化学势可通过直流偏置电压来改变，因此所述宽带纳米天线的谐振频率可通过直流偏置调控，从而实现天线的可调性和频率可重构性；所述宽带纳米天线的极化方式由阿基米德螺旋线的旋向决定，具有圆极化特性，可以接收多种极化方式的入射信号，在实用中更加灵活高效。本技术针对具有巨大应用潜力的宽带纳米通信系统，提出了一种简单可行的基于石墨烯的宽带阿基米德螺旋天线，该天线结构简单，易于集成，且在使用中更加灵活高效；对于宽带纳米系统，如通信、传感和分子光谱分析等领域具有非常重要的意义。附图说明图1为本技术的结构示意图；图2为图1的左视图；图3为本技术的场增强频谱示意图；图4为本技术的场增强频谱随化学势的变化示意图；图5为本技术在不同极化方式的入射波照射下的场增强频谱示意图；图中：1-介质基板、2-第一天线臂、3-第二天线臂。具体实施方式下面结合附图对本技术作进一步的说明，但不得以任何方式对本技术加以限制，基于本技术教导所作的任何变更或改进，均属于本技术的保护范围。如图1-2所示，本技术提供的宽带纳米天线包括介质基板1、设置于介质基板1上的第一天线臂2、设置于介质基板1上的第二天线臂3，以及用于连接第一天线臂2和第二天线臂3的接收端口P1，所述第一天线臂2和第二天线臂3均为采用石墨烯制作的阿基米德螺旋线；所述阿基米德螺旋线的宽度均等于螺旋线圈之间的缝隙的宽度；所述介质基板1为采用硅或二氧化硅制作的长方体。本技术提供的宽带纳米天线具有宽带性、可调性和圆极化特性；构成第一天线臂和第二天线臂的阿基米德螺旋线具有自相似特性，其电尺寸可以在很宽的频带范围内保持不变，自互补结构使得它的输入阻抗在整个带宽范围内变化极小，从而获得宽带特性；所述阿基米德螺旋线采用石墨烯制作，石墨烯的表面电导率依赖于化学势，而化学势可通过直流偏置电压来改变，因此所述宽带纳米天线的谐振频率可通过直流偏置调控，从而实现天线的可调性和频率可重构性；所述宽带纳米天线的极化方式由阿基米德螺旋线的旋向决定，具有圆极化特性，可以接收多种极化方式的入射信号，在实用中更加灵活高效。实施例石墨烯是一种由单层碳原子组成的蜂窝状二维晶体，它能够支持表面等离子体激元波的传播，其等离子体频率在太赫兹频段。石墨烯的表面电导率由Kubo公式描述，可分为带内部分和带间部分，在太赫兹频段，电导率主要由带内部分决定。石墨烯的电导率受温度、输运弛豫时间和化学势的影响，在本实施例中选择温度为300K，输运弛豫时间为0.8ps，化学势为0.5eV的石墨烯制作宽带纳米天线的第一天线臂2和第二天线臂3。如图1所示，所述宽带纳米天线的第一天线臂2和第二天线臂3均为采用石墨烯制作的阿基米德螺旋线，所述构成第一天线臂2的阿基米德螺旋线的方程为：所述构成第二天线臂3的阿基米德螺旋线的方程为；上述阿基米德螺旋线的半径均正比于极角，比例常数为a。在由阿基米德螺旋线构成的宽带纳米天线中，辐射只发生在天线的某一个部分，该部分被称为天线的激活区，激活区的周长等于波导波长。随着频率的变化，激活区会沿螺旋线转动，例如当频率降低时，波长增大，激活区移向螺旋线的外围，反之则移向螺旋线的中心；上述性质称为阿基米德螺旋线的自相似性，宽带纳米天线工作频带的低端频率由螺旋线的最大半径R决定，高端频率则由螺旋线的最小半径决定。本技术采用阿基米德螺旋线将宽带纳米天线设计为自互补结构，即天线臂的宽度w等于螺旋线圈之间的缝隙的宽度s，自互补结构使得天线的阻抗在整个带宽范围内变化较小，从而实现天线的宽带特性。在本实施例中，取a=15.9，=30nm，R=800nm，w=s=25nm。如图2所示，将采用石墨烯制作的第一天线臂2和第二天线臂3设置于长方体介质基板1上，并在介质基板1上设置用于连接第一天线臂2和第二天线臂3的接收端口P1，所述接收端口P1位于两条阿基米螺旋线的中心位置；在本实施例中，介质基板1的长为3000nm，宽为3000nm，高为500nm，相对介电常数为4。宽带纳米天线制作完毕后采用x方向极化的平面波沿-z方向垂直照射本技术所述天线，定义场增强为，用HFSS电磁仿真软件对所述天线进行建模和仿真，得到接收端口P1处的场增强频谱如图3所示，从图中可看出所述天线的宽带响应性质。在HFSS电磁仿真软件中观察所述宽带纳米天线双臂上的表面电流分布可以发现，在工作频带的低端，波长较长，天线的激活区位于螺旋线的外部，那里的周长等于一个波长。随着工作频率的增加，激活区逐渐向螺旋线的内部移动，在工作频带的高端，波长较短，天线的激活区位本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种宽带纳米天线，其特征在于：所述宽带纳米天线包括介质基板（1）、设置于介质基板(1)上的第一天线臂（2）、设置于介质基板(1)上的第二天线臂（3），以及用于连接第一天线臂（2）和第二天线臂（3）的接收端口P1，所述第一天线臂（2）和第二天线臂（3）均为采用石墨烯制作的阿基米德螺旋线。

【技术特征摘要】
1.一种宽带纳米天线，其特征在于：所述宽带纳米天线包括介质基板（1）、设置于介质基板(1)上的第一天线臂（2）、设置于介质基板(1)上的第二天线臂（3），以及用于连接第一天线臂（2）和第二天线臂（3）的接收端口P1，所述第一天线臂（2）和第二天线臂（3）均为采用...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵羽，杨晶晶，黄铭，
申请(专利权)人：云南大学，
类型：新型
国别省市：云南;53