波束可调的石墨烯漏波天线制造技术

本发明专利技术提供了一种波束可调的石墨烯漏波天线，可用于产生波束随外加电压偏置可调的漏波辐射，可覆盖频段主要在低太赫兹频段。2THz频率下的天线体积大小为480μm*150μm*20μm。所发明专利技术天线主要包括天线辐射单元、石墨烯电压偏置系统和金属地。该天线具有体积小、波束方向角可调、增益较高等优点。

Beam adjustable graphene leaky wave antenna

The invention provides a wave guide adjustable graphene leaky wave antenna, which can be used to generate leaky wave radiation with adjustable bias with external voltage, and the coverage frequency is mainly in the low terahertz frequency band. The size of the antenna at 2THz frequency is 480 u m*150 mu m*20 mu m. The antenna mainly includes the antenna radiation unit, the graphene voltage bias system and the metal ground. The antenna has the advantages of small size, adjustable beam direction angle and high gain.

【技术实现步骤摘要】
波束可调的石墨烯漏波天线
本专利技术涉及石墨烯漏波天线，具体地，涉及波束可调的石墨烯漏波天线，尤其是一种石墨烯条带间距周期性变化、漏波天线波束方向随所加电压偏置改变而改变的方案。
技术介绍
石墨烯是由碳原子构成的只有一层原子厚度的二维晶体，作为一种具有优异晶体品质和电子性质的二维材料，石墨烯表现出独特的电子输运、光学耦合、电磁学和其他新奇的性质。在太赫兹频段天线领域，石墨烯表现出损耗较低，表面电导率随外加电场和磁场可调等优点，有巨大的应用前景。国外在石墨烯漏波天线已有人研究，通过对现有技术检索发现期刊IEEETransactionsonTerahertzScienceandTechnology上一月份发表的一篇关于石墨烯漏波天线的文章：SinusoidallyModulatedGrapheneLeaky-WaveAntennaforElectronicbeamscanningatTHz。文中介绍了一种在2THz频段的波束可调的漏波天线，石墨烯条带长度宽度均一致，且条带之间没有间隙。通过给石墨烯条带加周期性的电压偏置，可实现漏波天线波束方向改变。这种漏波天线虽然可以实现波束方向可调，但是漏波天线设计需要加载不同种类的电压偏置，供电系统比较繁琐。对于呈正弦周期性变化的电感表面，沿z方向变化的表面电感分布ηsurf可表示为：其中，j表示虚数单位，a表示调制周期，z表示坐标轴，Xs为未调制的表面阻抗值，M为归一化调制深度，M值一般大于0小于1。而辐射方向角θ可根据计算得到，其中θ即为波束方向角，η0为TEM波在真空中的特性阻抗，λ为波长。当TM波沿这样的电感表面传播时，电磁波会向外辐射，传播常数和衰减系数可从下式计算出：其中β为传播常数，α为衰减系数，k为波矢，k0为真空下波矢，X'为Xs/η0。根据漏波天线原理，漏波天线电场E可根据公式计算得到，其中L为天线长度。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，利用单层石墨烯电导率随所加电压偏置变化而变化的特点，本专利技术设计了一种波束可调的石墨烯漏波天线，所有石墨烯条带加相同电压，可用于无线通信系统，该天线体积较小，波束随所加电压偏置可调，增益较高，可用于低太赫兹频段。根据本专利技术提供的一种波束可调的石墨烯漏波天线，包括天线辐射单元、石墨烯电压偏置系统、金属地、介质基底；天线辐射单元包括依次排列的多个石墨烯条带组；石墨烯条带组中包括依次排列的多个单层石墨烯条带；石墨烯电压偏置系统对单层石墨烯条带施加电压；单层石墨烯条带平铺在介质基底上；金属地设置在介质基底下。优选地，单层石墨烯条带之间相互独立存在间距，且宽度相同；多个石墨烯条带组中的单层石墨烯条带之间的间距呈周期性变化，其中，每个石墨烯条带组中的单层石墨烯条带之间的间距变化为一个周期。优选地，介质基底的左端和右端分别接有波导馈源端口；介质基底呈长方体；金属地连接波导馈源端口。优选地，石墨烯电压偏置系统包括外加电源、多晶硅、电极板；外加电源的一极连接单层石墨烯条带，外加电源的另一极连接电极板；电极板设置在介质基底上；多晶硅设置在电极板上；单层石墨烯条带设置在多晶硅上。优选地，多晶硅的长度、宽度均与单层石墨烯条带一致。优选地，各个单层石墨烯条带均与同一个外加电源的一极相连，外加电源对各个单层石墨烯条带所施加电压是一致的，以使得各个单层石墨烯条带化学势相同。优选地，电极板的长度、宽度均与单层石墨烯条带一致。优选地，单层石墨烯条带长度为1个波长，宽度小于10μm。优选地，金属地是平面地结构。优选地，天线辐射单元包括6个石墨烯条带组，每个石墨烯条带组包括8个单层石墨烯条带，这8个单层石墨烯条带之间的间距分别为0.93μm、0.5μm、0.39μm、0.5μm、0.93μm、1.72μm、2.23μm；在相邻的两个石墨烯条带组中，一个石墨烯条带组中第8个单层石墨烯条带与另一个石墨烯条带组中第1个单层石墨烯条带之间的间距为1.72μm。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：本专利技术设计了一种波束可调的石墨烯漏波天线，可用于产生波束随外加电压偏置可调的漏波辐射，可覆盖频段主要在太赫兹频段。2THz频率下的天线体积大小为480μm*150μm*20μm。所专利技术天线主要包括天线辐射单元、石墨烯电压偏置系统和金属地。该天线具有体积小、波束方向角可调、增益较高等优点。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为波束可调的石墨烯漏波天线结构示意图。图2为波束可调的石墨烯漏波天线的表面单层石墨烯条带示意图。图3为波束可调的石墨烯漏波天线中石墨烯的电压偏置系统示意图。图4为单层石墨烯在频率为2THz时的表面电导率与石墨烯化学势的关系图。图5为单层石墨烯在频率为2THz时的表面阻抗与石墨烯化学势的关系图。图6为石墨烯电压偏置系统中石墨烯化学势与所加偏置电压的关系图。图7为石墨烯与介质基底共同的TM波阻抗与石墨烯条带间距关系图。图8为波束可调的石墨烯漏波天线在化学势μc＝0.33eV，频率为2THz，Phi＝90°时的归一化方向图。图9为波束可调的石墨烯漏波天线在化学势μc＝0.5eV，频率为2THz，Phi＝90°时的归一化方向图。图10为波束可调的石墨烯漏波天线在化学势μc＝0.9eV，频率为2THz，Phi＝90°时的归一化方向图。图11为波束可调的石墨烯漏波天线在化学势μc＝0.33eV，频率为2THz，Phi＝90°时的增益方向图。图12为波束可调的石墨烯漏波天线在化学势μc＝0.5eV，频率为2THz，Phi＝90°时的增益方向图。图13为波束可调的石墨烯漏波天线在化学势μc＝0.9eV，频率为2THz，Phi＝90°时的增益方向图。图中：1-单层石墨烯条带2-波导馈源端口3-介质基底4-金属地5-间距呈周期性分布的单层石墨烯条带6-多晶硅7-电极板具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。根据本专利技术提供的一种波束可调的石墨烯漏波天线，包括天线辐射单元、石墨烯电压偏置系统、金属地、介质基底；天线辐射单元包括依次排列的多个石墨烯条带组；石墨烯条带组中包括依次排列的多个单层石墨烯条带；石墨烯电压偏置系统对单层石墨烯条带施加电压；单层石墨烯条带平铺在介质基底上；金属地设置在介质基底下。单层石墨烯条带之间相互独立存在间距，且宽度相同；多个石墨烯条带组中的单层石墨烯条带之间的间距呈周期性变化，其中，每个石墨烯条带组中的单层石墨烯条带之间的间距变化为一个周期。介质基底的左端和右端分别接有波导馈源端口；介质基底呈长方体；金属地连接波导馈源端口。石墨烯电压偏置系统包括外加电源、多晶硅、电极板；外加电源的一极连接单层石墨烯条带，外加电源的另一极连接电极板；电极板设置在介质基底上；多晶硅设置在电极板上；单层石墨烯条带设置在多晶硅上。多晶硅的长度、宽度均与单层石墨烯条带一致。各个单层石墨烯条带均与同一个外加电源的一极相连，外加电源对各个单层石墨烯条带所施加电压是一致的，以使得各个单层本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种波束可调的石墨烯漏波天线，其特征在于，包括天线辐射单元、石墨烯电压偏置系统、金属地、介质基底；天线辐射单元包括依次排列的多个石墨烯条带组；石墨烯条带组中包括依次排列的多个单层石墨烯条带；石墨烯电压偏置系统对单层石墨烯条带施加电压；单层石墨烯条带平铺在介质基底上；金属地设置在介质基底下。

【技术特征摘要】
1.一种波束可调的石墨烯漏波天线，其特征在于，包括天线辐射单元、石墨烯电压偏置系统、金属地、介质基底；天线辐射单元包括依次排列的多个石墨烯条带组；石墨烯条带组中包括依次排列的多个单层石墨烯条带；石墨烯电压偏置系统对单层石墨烯条带施加电压；单层石墨烯条带平铺在介质基底上；金属地设置在介质基底下。2.根据权利要求1所述的波束可调的石墨烯漏波天线，其特征在于，单层石墨烯条带之间相互独立存在间距，且宽度相同；多个石墨烯条带组中的单层石墨烯条带之间的间距呈周期性变化，其中，每个石墨烯条带组中的单层石墨烯条带之间的间距变化为一个周期。3.根据权利要求1所述的波束可调的石墨烯漏波天线，其特征在于，介质基底的左端和右端分别接有波导馈源端口；介质基底呈长方体；金属地连接波导馈源端口。4.根据权利要求1所述的波束可调的石墨烯漏波天线，其特征在于，石墨烯电压偏置系统包括外加电源、多晶硅、电极板；外加电源的一极连接单层石墨烯条带，外加电源的另一极连接电极板；电极板设置在介质基底上；多晶硅设置在电极板上；单层石墨烯条带设置在多晶硅上。5.根据权利要求4所述的波束可调的石...

【专利技术属性】
技术研发人员：程岩，张跃平，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31