[發明專利]波束可調的石墨烯漏波天線

有效

• 申請號: 201610712386.8
• 申請日: 2016-08-23
• 公開（公告）號: CN107768812B
• 公開（公告）日: 2020-06-12
• 發明（設計）人: 程巖;張躍平
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H01Q1/38
• 分類號: H01Q1/38;H01Q1/50;H01Q1/48
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 郭國中

本發明提供了一種波束可調的石墨烯漏波天線，可用于產生波束隨外加電壓偏置可調的漏波輻射，可覆蓋頻段主要在低太赫茲頻段。2THz頻率下的天線體積大小為480μm*150μm*20μm。所發明天線主要包括天線輻射單元、石墨烯電壓偏置系統和金屬地。該天線具有體積小、波束方向角可調、增益較高等優點。

技術領域

本發明涉及石墨烯漏波天線，具體地，涉及波束可調的石墨烯漏波天線，尤其是一種石墨烯條帶間距周期性變化、漏波天線波束方向隨所加電壓偏置改變而改變的方案。

背景技術

石墨烯是由碳原子構成的只有一層原子厚度的二維晶體，作為一種具有優異晶體品質和電子性質的二維材料，石墨烯表現出獨特的電子輸運、光學耦合、電磁學和其他新奇的性質。在太赫茲頻段天線領域，石墨烯表現出損耗較低，表面電導率隨外加電場和磁場可調等優點，有巨大的應用前景。

國外在石墨烯漏波天線已有人研究，通過對現有技術檢索發現期刊IEEETransactions on Terahertz Science and Technology上一月份發表的一篇關于石墨烯漏波天線的文章：Sinusoidally Modulated Graphene Leaky-Wave Antenna forElectronic beamscanning at THz。文中介紹了一種在2THz頻段的波束可調的漏波天線，石墨烯條帶長度寬度均一致，且條帶之間沒有間隙。通過給石墨烯條帶加周期性的電壓偏置，可實現漏波天線波束方向改變。這種漏波天線雖然可以實現波束方向可調，但是漏波天線設計需要加載不同種類的電壓偏置，供電系統比較繁瑣。

對于呈正弦周期性變化的電感表面，沿z方向變化的表面電感分布η_surf可表示為：

其中，j表示虛數單位，a表示調制周期，z表示坐標軸，X_s為未調制的表面阻抗值，M為歸一化調制深度，M值一般大于0小于1。

而輻射方向角θ可根據計算得到，其中θ即為波束方向角，η₀為TEM波在真空中的特性阻抗，λ為波長。

當TM波沿這樣的電感表面傳播時，電磁波會向外輻射，傳播常數和衰減系數可從下式計算出：

其中β為傳播常數，α為衰減系數，k為波矢，k₀為真空下波矢，X'為X_s/η₀。

根據漏波天線原理，漏波天線電場E可根據公式計算得到，其中L為天線長度。

發明內容

針對現有技術中的缺陷，利用單層石墨烯電導率隨所加電壓偏置變化而變化的特點，本發明設計了一種波束可調的石墨烯漏波天線，所有石墨烯條帶加相同電壓，可用于無線通信系統，該天線體積較小，波束隨所加電壓偏置可調，增益較高，可用于低太赫茲頻段。

根據本發明提供的一種波束可調的石墨烯漏波天線，包括天線輻射單元、石墨烯電壓偏置系統、金屬地、介質基底；

天線輻射單元包括依次排列的多個石墨烯條帶組；

石墨烯條帶組中包括依次排列的多個單層石墨烯條帶；

石墨烯電壓偏置系統對單層石墨烯條帶施加電壓；

單層石墨烯條帶平鋪在介質基底上；

金屬地設置在介質基底下。

優選地，單層石墨烯條帶之間相互獨立存在間距，且寬度相同；

多個石墨烯條帶組中的單層石墨烯條帶之間的間距呈周期性變化，其中，每個石墨烯條帶組中的單層石墨烯條帶之間的間距變化為一個周期。