[發(fā)明專利]一種基于石墨烯超表面的平面波到球面波相控陣芯片

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110592811.5
• 申請(qǐng)日: 2021-05-28
• 公開（公告）號(hào): CN113285238A
• 公開（公告）日: 2021-08-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馬煥喜;邱偉彬
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華僑大學(xué)
• 主分類號(hào): H01Q15/14
• 分類號(hào): H01Q15/14;H01Q3/30
• 代理公司: 廈門市首創(chuàng)君合專利事務(wù)所有限公司 35204
• 代理人: 張松亭;李艾華

本發(fā)明提供了一種基于石墨烯超表面的平面波到球面波相控陣芯片，包括反射型超表面相控陣；所述反射型超表面相控陣包括M×M個(gè)周期性排列的石墨烯超表面單元；所述石墨烯超表面單元包括上表面呈圓形結(jié)構(gòu)的石墨烯貼片和下方介質(zhì)基板；圓形結(jié)構(gòu)的石墨烯貼片與下方介質(zhì)基板的幾何中心在一條直線上。本發(fā)明利用了石墨烯超表面單元能夠使入射波的電場(chǎng)發(fā)生0～360°全相位調(diào)控的特性，在50THz到60THz的頻率范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了平面波轉(zhuǎn)化為球面波的功能，具有寬頻帶、平面化、單層結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及無線通信領(lǐng)域，特別涉及一種基于石墨烯超表面的平面波到球面波相控陣芯片。

背景技術(shù)

近年來，隨著的無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)器件的性能和尺寸要求也越來越高。電磁超表面是一種由周期性或者非周期性的亞波長單元結(jié)構(gòu)排列而成的二維平面陣列，具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)。電磁超表面是一種二維結(jié)構(gòu)的電磁材料，其相對(duì)輕薄，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)，可以對(duì)電磁波的幅度、相位、偏振狀態(tài)進(jìn)行靈活的控制(Xiangang,L.Priciples of Electromagnetic Waves in Metasurface[J].ScienceChina,2015,58(9):594201)，被廣泛用于不規(guī)則反射或折射、反射陣天線和極化轉(zhuǎn)換器等方面。

石墨烯是由單層碳原子構(gòu)成的新型超表面，具有獨(dú)特的光學(xué)特性。與貴金屬等材料相比，石墨烯具有更低的傳輸損耗和更強(qiáng)的電磁控制能力(Grigorenko,A.N.；Polini,M.；Novoselov,K.S.Graphene Plasmonics[J].Nature Photonic,2012,6(11):749-758.)。同時(shí)，石墨烯的化學(xué)勢(shì)可以通過化學(xué)摻雜以及外加靜電電壓進(jìn)行調(diào)控，進(jìn)而改變石墨烯的表面電導(dǎo)率，可以靈活地調(diào)控電磁波的波束形狀、傳輸路徑和極化方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)器件性能的調(diào)節(jié)(Sudipta,R.B.；Cristian,E.G.；Andrei,N.；In-Ho,L.；Sang-Hyun,O.；Phaedon,A.；Tony,L.Tunable Graphene Metasurface Reflectarray for Cloaking,Illusion,andFocusing[J].Physical Review Applied,2018,9(3):034021)。傳統(tǒng)的波形轉(zhuǎn)化陣列大多是使用金屬單元作為單元結(jié)構(gòu)，往往需要較為復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)，使得成本變高、結(jié)構(gòu)尺寸變得更為復(fù)雜，而且還具有較大的材料損耗。通過設(shè)計(jì)石墨烯超表面的形狀等幾何特性，可以在中紅外頻段內(nèi)將平面電磁波轉(zhuǎn)化為球面波，且結(jié)構(gòu)簡單，工作頻帶寬，更有利于集成化。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于石墨烯超表面的平面波到球面波相控陣芯片，用于解決現(xiàn)有技術(shù)存在的損耗過大和帶寬較窄的技術(shù)問題。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種基于石墨烯超表面的平面波到球面波相控陣芯片，包括反射型超表面相控陣；所述反射型超表面相控陣包括M×M個(gè)周期性排列的石墨烯超表面單元，M≥20；所述石墨烯超表面單元包括上表面呈圓形結(jié)構(gòu)的石墨烯貼片和下方介質(zhì)基板。

優(yōu)選的，所述石墨烯貼片為圓形結(jié)構(gòu)，其半徑R的范圍在0.05微米和0.5微米之間。

優(yōu)選的，所述下方介質(zhì)基板為Rogers RO4003材料，且下方介質(zhì)基板的橫剖面為正方形，其邊長p為1微米，厚度h為0.6微米。

優(yōu)選的，所述石墨烯貼片與下方介質(zhì)基板之間沒有空隙。

優(yōu)選的，所述石墨烯貼片與下方介質(zhì)基板的幾何中心在一條直線上。

優(yōu)選的，所述反射型超表面相控陣在50THz到60THz的頻率范圍內(nèi)均能將平面波轉(zhuǎn)化為球面波。

優(yōu)選的，平面波轉(zhuǎn)化至球面波時(shí)每一個(gè)位置處的石墨烯超表面單元所需要的補(bǔ)償相位如下述補(bǔ)償公式：