[發明專利]基于石墨烯超材料的雙頻帶波束可重構MIMO天線

在審

• 申請號: 201710232787.8
• 申請日: 2017-04-11
• 公開（公告）號: CN107134635A
• 公開（公告）日: 2017-09-05
• 發明（設計）人: 洪勁松;劉深鵬;王晨;唐彬
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01Q1/36
• 分類號: H01Q1/36;H01Q9/04
• 代理公司: 電子科技大學專利中心51203
• 代理人: 張楊

技術領域

本發明屬于天線技術領域，具體涉及一種基于石墨烯超材料的雙頻帶波束可重構MIMO天線。

背景技術

隨著通信技術的發展，現階段可用的微波頻帶資源越來越匱乏。為了很好的解決這一問題，大量學者提出了多輸入多輸出(MIMO)系統。其發射端和接收端都采用多天線的系統，它可以在同一頻帶內提供傳輸平行信息的幾個無線信道，并大大地增加了通信系統的容量。隨著MIMO技術的發展，應用于該系統的MIMO天線的研究也變得十分迫切。對于天線等無源器件，使用石墨烯材料能夠帶來顯著的好處。石墨烯作為一種新型材料，其等離子表面波的諧振頻率在太赫茲頻段內。雖然近年來有大量相關的理論已經提出，但是相關的實際石墨烯天線設計還是相對較少，將石墨烯這一新型材料應用于MIMO通信系統中更是鮮有成果。2013年Michele Tamagnone提出了一種金屬-石墨烯混合結構的天線，但是該天線模型效率不夠高，且只是單純的實現了天線的單頻率可重構特性，其帶寬進一步拓寬也沒能實現。石墨烯天線具有高小型化、易于集成的特點，這就使得其在納米級的無線通信和傳感系統中具有巨大潛能。

發明內容

針對背景技術中存在的不足，本發明提供了一種基于石墨烯超材料的雙頻帶波束可重構MIMO天線，該天線采用石墨烯代替金屬，利用石墨烯貼片天線單元之間的互耦效應實現其雙頻帶特性，保持了良好的方向圖特性，并且通過調節加載到每個石墨烯超材料結構陣列上面的電壓實現了該MIMO天線的波束可重構特性。

技術方案:一種基于石墨烯超材料的雙頻帶波束可重構MIMO天線，從上至下依次為石墨烯貼片層、第一石英基板層、石墨烯超材料結構層、第二石英基板層、多晶硅基板層、砷化鎵基板層。

所述第一石英基板層、多晶硅基板層、第二石英基板層以及砷化鎵基板層為相同尺寸的矩形板。

所述石墨烯貼片層為均勻分布的四個尺寸相同的諧振單元，每個諧振單元包括兩個矩形石墨烯貼片，其間設置有用于加載激勵源的縫隙。

所述石墨烯超材料結構層包括四個超材料結構陣列，每個陣列位于對應諧振單元的正下方；所述超材料結構陣列由M*N(7≤M,N≤10)個石墨烯方環均勻排布構成，每列或每行的方環之間設置有矩形石墨烯連接片，并且連通的每列或每行分別加載有電壓。

本發明采用兩個矩形石墨烯貼片構成諧振單元，使天線產生THz頻段的諧振。對應于每個諧振單元的下方都設置有一個石墨烯超材料結構陣列，通過控制加載到石墨烯超材料結構上的每個縱列或橫列上的電壓來改變石墨烯的表面阻抗，從而來實現其波束可重構特性。此外，石墨烯超材料結構陣列還可以增加石墨烯貼片天線的阻抗帶寬。本發明所涉及的石墨烯天線與傳統材料所構成的天線相比具有尺寸小、穩定性高、易于集成的特點。

附圖說明

圖1為本發明實施例的俯視圖；

圖2為本發明實施例的側視圖；

圖3為石墨烯超材料結構圖；

圖4為天線的S11參數；

圖5為在頻率為1THz的E面方向圖；

圖6為在頻率為1THz的波束可重構示意圖。

附圖標號說明：1為本發明所述天線的多層基板；2為石墨烯超材料結構陣列；3為石墨烯貼片；4為縫隙；5為石墨烯貼片層；6為第一石英基板層；7為石墨烯超材料結構層；8為第二石英基板層；9為多晶硅基板層；10為砷化鎵基板層；11石墨烯方環；12為矩形石墨烯連接片。

具體實施方式

下面結合具體實驗數據進一步闡明本發明，該實例僅用于說明本發明而不限制于本發明，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權利說明書所限定的范圍。

如圖1、2所示，一種基于石墨烯超材料的雙頻帶波束可重構MIMO天線，其長*寬尺寸為160um*160um。從上至下依次為石墨烯貼片層、第一石英基板層、石墨烯超材料結構層、第二石英基板層、多晶硅基板層、砷化鎵基板層。第一石英基板的厚度為100nm，第二石英基板的厚度為50nm，多晶硅基板的厚度為1000nm，砷化鎵基板的厚度為1800nm。由于石墨烯是單原子層，所以石墨烯貼片層和石墨烯超材料結構層的厚度可以忽略不計。

如圖1所示，石墨烯貼片層為均勻分布的四個尺寸相同的諧振單元，每個諧振單元包括兩個矩形石墨烯貼片，石墨烯貼片尺寸為W*L＝13um*15um，其間設置有用于加載激勵源的縫隙，縫隙寬度為2um；圖1中，G1＝52um，G2＝65um，G3＝10um，G4＝12um，G5＝22.5um，G6＝23.5um。