石墨烯贴片型太赫兹法布里-珀罗谐振天线及其实现方法技术

一种石墨烯贴片型太赫兹法布里

【技术实现步骤摘要】
石墨烯贴片型太赫兹法布里
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珀罗谐振天线及其实现方法


[0001]本专利技术涉及的是一种微波通信领域的技术，具体是一种基于石墨烯贴片型结构的太赫兹 法布里
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珀罗谐振天线及其实现方法。

技术介绍

[0002]法布里
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珀罗(Fabry
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Perot)谐振结构是现有实现窄波束天线的常用方法，其工作原理是当 入射电磁波频率满足谐振条件时，对应频率的方向性系数会有很高的峰值，而不满足谐振条件 的频率对应的方向性系数幅度较小。法布里
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珀罗谐振(FPR)天线由法布里
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珀罗谐振腔以及天线 馈源组成，谐振腔由两个反射面组成，其中一个反射面通常为具有全反射特性的金属反射面， 另一个反射面为具有部分反射特性的部分反射面，通常由频率选择表面(FSS)组成，两个反射面 之间的距离与部分反射面的反射系数面共同决定了谐振频率。当电磁波从天线馈源发出后，在 部分反射面发生部分反射和部分透射，在金属反射面全反射，在谐振腔中来回振荡。当满足谐 振条件时，天线前向辐射增加，波束宽度减小，方向性增强。
[0003]现有大部分法布里
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珀罗谐振天线均工作于微波和毫米波低频段，工作于太赫兹频段的 FPR天线较为少见。首先，随着工作频率的提高，对加工工艺精度提出了更高的要求。其次， 对于太赫兹频段的FPR天线而言，由于充当谐振腔体的中间层介质厚度存在限制，可供太赫兹 频段使用的规格较少。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提出一种石墨烯贴片型太赫兹法布里
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珀罗谐振 天线及其实现方法，将图形化的石墨烯贴片结构应用于太赫兹天线可以提供优良的性能，引入 了丰富的设计自由度，该天线工作于太赫兹频段，具有波束宽度易于设计与调控的优点。所 提出的图形化金属
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石墨烯混合结构工艺可用于加工实现出所设计的太赫兹天线。
[0005]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0006]本专利技术涉及一种基于金属
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石墨烯混合结构的太赫兹窄波束法布里
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珀罗谐振天线，包 括：由上而下依次设置的固定夹具、法布里
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珀罗谐振结构以及加脊馈源喇叭，其中：固定夹具 与加脊馈源喇叭相连，法布里
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珀罗谐振结构固定设置于加脊馈源喇叭上方并与加脊馈源喇叭 的金属上表面共同构成法布里
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珀罗谐振腔，加脊馈源喇叭辐射出的电磁波在法布里
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珀罗谐 振结构中振荡并经调控后在主方向形成所需要的窄波束电磁辐射。
[0007]所述的固定夹具为低介电常数、低损耗的介质制成，具体介质包括：聚乳酸(PLA)；
[0008]所述的法布里
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珀罗谐振结构包括：依次位于介质层上的金属图案和石墨烯图案，其中： 石墨烯图案和金属图案具有导电性并形成反射面以实现对电磁波的部分反射。
[0009]所述的介质层不具有导电性，其用于分割
①
部分反射面与
②
作为金属反射面的加脊 馈源喇叭上表面。
[0010]所述的加脊馈源喇叭包括：喇叭主体、分别设置于喇叭主体两端的金属脊和波导口， 其中：喇叭主体的上方为金属上表面，金属脊位于喇叭主体靠近法布里
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珀罗谐振结构一侧， 用于外部连接馈电的波导口位于喇叭底部远离法布里
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珀罗谐振结构一侧。
[0011]所述的法布里
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珀罗谐振结构，通过金属
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石墨烯混合结构工艺实现，包括以下步骤：
[0012]步骤1、准备一片基片，该基片可以耐受1000℃的高温工艺。
[0013]步骤2、在基片上旋涂光刻胶并烘干，从而得到完整的均匀光刻胶层。
[0014]步骤3、将掩模版放置于覆有完整均匀光刻胶层的基片上，进行曝光、显影和刻蚀操作， 形成图形化的光刻胶图层。
[0015]步骤4、使用电子束蒸发工艺在基片上蒸镀一层均匀的金属膜，该金属膜通常为镍或铜。
[0016]步骤5、将基片放入光刻胶溶剂中，去除图形化的光刻胶，从而得到图形化的金属膜。
[0017]步骤6、将基片放入管式反应炉中，使用化学气相沉积(CVD)方法在图形化的金属膜上 生长图形化的石墨烯，最终得到加载石墨烯的贴片结构。技术效果
[0018]现有的法布里
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珀罗天线大都工作于微波毫米波等较低频段，而工作于太赫兹频段的法 布里
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珀罗天线较为少见。随着工作频率的提高，低频下常用的加工工艺无法满足天线的工艺 需求。此外，石墨烯由于其电导率可调的特性，为法布里
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珀罗天线中的部分反射面引入了新 的自由度。目前已有的一些利用石墨烯电导率可调节特性实现太赫兹频段谐振频率可重构法布 里
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珀罗天线的工作由于采用完整的非图形化石墨烯，导致部分反射面的反射特性难以调节， 无法准确控制天线的波束宽度。为了调节部分反射面的特性，本专利技术将设计了石墨烯贴片型频 率选择表面作为部分反射面，相较于整片石墨烯引入了更多的设计自由度，并且提出了金属
‑ꢀ
石墨烯混合结构工艺以确保天线实际加工的可行性。
[0019]与现有技术相比，本专利技术将图形化的石墨烯，具体的为贴片型石墨烯应用于法布里
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珀 罗天线中部分反射面的设计，相较于传统的金属材料以及整片石墨烯引入了更多的设计自由度， 并优化贴片结构的尺寸，实现了波束宽度满足特定条件的法布里
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珀罗天线，为了确保设计的 可行性，提出了金属
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石墨烯混合结构加工工艺。
附图说明
[0020]图1(a)和图1(b)为本专利技术整体结构示意图；
[0021]图2为本专利技术中的固定夹具的示意图；
[0022]图3为本专利技术中的法布里
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珀罗谐振结构的示意图；
[0023]图4为本专利技术中的法布里
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珀罗谐振结构石墨烯图案的局部放大示意图；
[0024]图5为本专利技术中的法布里
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珀罗谐振结构的基本单元结构示意图；
[0025]图6(a)和图6(b)为整片石墨烯和本专利技术中的金属
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石墨烯混合结构频率选择表面的 等效电路示意图；
[0026]图7(a)为整片石墨烯和本专利技术中的金属
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石墨烯混合结构频率选择表面的反射系数 曲线；图7(b)为整片石墨烯和本专利技术中的金属
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石墨烯混合结构频率选择表面的传输系
可以看出，石墨烯的电阻和电感相差了p/(p
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a)倍。另外，由于贴片结构引入了片间电容，石墨 烯贴片型结构自身存在谐振特性。
[0038]整片石墨烯的表面阻抗虚部始终大于零，在任何频率下都呈感性，并且虚本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于金属
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石墨烯混合结构的太赫兹窄波束法布里
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珀罗谐振天线，其特征在于，包括：由上而下依次设置的固定夹具、法布里
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珀罗谐振结构以及加脊馈源喇叭，其中：固定夹具与加脊馈源喇叭相连，法布里
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珀罗谐振结构固定设置于加脊馈源喇叭上方并与加脊馈源喇叭的金属上表面共同构成法布里
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珀罗谐振腔，加脊馈源喇叭辐射出的电磁波在法布里
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珀罗谐振结构中振荡并经调控后在主方向形成所需要的窄波束电磁辐射。2.根据权利要求1所述的基于金属
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石墨烯混合结构的太赫兹窄波束法布里
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珀罗谐振天线，其特征是，所述的固定夹具为中空圆柱体结构，固定夹具内部设有多边形几何空腔以容纳法布里
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珀罗谐振结构，该固定夹具为聚乳酸使用3D打印技术加工制成。3.根据权利要求1所述的基于金属
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石墨烯混合结构的太赫兹窄波束法布里
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珀罗谐振天线，其特征是，所述的法布里
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珀罗谐振结构包括：依次位于介质层上的金属图案和石墨烯图案，其中：石墨烯图案和金属图案具有导电性并形成反射面以实现对电磁波的部分反射。4.根据权利要求3所述的基于金属
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石墨烯混合结构的太赫兹窄波束法布里
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珀罗谐振天线...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴林晟，陈谢鹏，冯金龙，黄一，毛军发，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：