基于石墨烯覆層的可重構(gòu)天線的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及天線技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于石墨烯覆層的可重構(gòu)天線。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電子科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，對通信系統(tǒng)中起關(guān)鍵作用的天線終端提出了越來越高的要求，如要求天線既要具有寬頻帶或頻率可重構(gòu)性能，又要具有方向圖可重構(gòu)特性，這些性能的實(shí)現(xiàn)對減少天線數(shù)量、縮小通信系統(tǒng)體積、降低系統(tǒng)復(fù)雜度和通信系統(tǒng)成本等方面具有重要意義。為實(shí)現(xiàn)以上特性，可以在一個天線或者天線陣上，通過自主地調(diào)節(jié)天線的部分參數(shù)，例如天線的尺寸、結(jié)構(gòu)或者給天線外加高阻抗表面等，使其實(shí)現(xiàn)頻率和輻射方向的可控。
[0003]改變天線諧振長度或其電抗值是目前實(shí)現(xiàn)天線頻率重構(gòu)特性的兩種主要方式。例如利用開關(guān)元件的“開”與“關(guān)”兩種狀態(tài)，改變天線結(jié)構(gòu)，得到不同的諧振頻率對應(yīng)的幾何尺寸，實(shí)現(xiàn)對工作頻率的調(diào)節(jié)，或在天線的表面電流所在路徑上加載開關(guān)，隨著開關(guān)的通斷，原先的天線電流路徑將會被導(dǎo)通或截斷，從而得到頻率可重構(gòu)天線。還有利用某些方法實(shí)現(xiàn)對天線電抗值的控制，例如加載電容、電阻等電抗元件，同樣可以得到頻率的可重構(gòu)特性。雖然這些方法能夠?qū)崿F(xiàn)天線的頻率可控，但是只能夠?yàn)樘炀€增加較少幾個工作頻率或者為天線增加很窄的可用頻段，對其頻率上不能做到連續(xù)的調(diào)控。
[0004]方向圖可重構(gòu)天線的主要特點(diǎn)是在保持工作頻率不變的條件下，實(shí)現(xiàn)對天線最大輻射方向的掃描。目前，文獻(xiàn)中報道的方向圖可重構(gòu)天線具體實(shí)現(xiàn)形式有以下幾種:采用多個饋點(diǎn)饋電的方式，通過調(diào)整天線不同饋點(diǎn)的相位來改變天線的輻射方向圖；利用開關(guān)或電抗可調(diào)器件，加載在與八木天線陣類似的主輻射單元周邊的寄生單元上，以此得到不同的輻射方向圖；用各種開關(guān)元器件改變天線輻射體形狀，調(diào)節(jié)天線的輻射方向；加載開關(guān)或可變電容等電抗值可調(diào)的元件，調(diào)節(jié)天線表面電流分布，得到對應(yīng)的不同方向圖；使用機(jī)械方式，例如馬達(dá)等，改變或者選擇天線形狀，得到不同形狀的天線所對應(yīng)的輻射方向圖。然而這些改變方向圖的方法均需要額外增加多余的元件才能實(shí)現(xiàn)，因而實(shí)施起來相對麻煩。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于石墨烯覆層的可重構(gòu)天線，其具有天線寬頻帶、頻率可重構(gòu)和/或輻射方向圖可重構(gòu)的特點(diǎn)。
[0006]為解決上述問題，本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0007]基于石墨烯覆層的可重構(gòu)天線，包括天線本體，該天線本體包括接地板和直立于接地板上的單極子；所述天線本體還進(jìn)一步包括一上下貫通、并呈中空柱狀的電介質(zhì)套筒，電介質(zhì)套筒位于接地板的上方且置于單極子的外圍；電介質(zhì)套筒的內(nèi)外側(cè)表面中的一側(cè)表面涂覆有石墨烯覆層，另一側(cè)表面涂覆有硅覆層；上述石墨烯覆層和硅覆層各與外置偏置電壓的一端相連，且與外置偏置電壓的正極相連的石墨烯覆層或硅覆層與接地板之間存在一定的間隙。
[0008]作為改進(jìn)，所述硅覆層被縱向分隔成多個相互獨(dú)立且絕緣的等份，每一等份形成一個縱向延伸的硅片；每個硅片與一個外置偏置電壓的一端相連，所有外置偏置電壓的另一端均與石墨稀覆層相連。
[0009]作為進(jìn)一步改進(jìn)，每個硅片的延伸方向均與單極子的延伸方向平行。
[0010]作為改進(jìn)，所述石墨烯覆層被縱向分隔成多個相互獨(dú)立且絕緣的等份，每一等份形成一個縱向延伸的石墨烯片；每個石墨烯片與一個外置偏置電壓的一端相連，所有外置偏置電壓的另一端均與硅覆層相連。
[0011]作為進(jìn)一步改進(jìn)，每個石墨烯片的延伸方向均與單極子的延伸方向平行。
[0012]作為改進(jìn)，硅覆層被縱向分隔成多個相互獨(dú)立且絕緣的等份，每一等份形成一個縱向延伸的硅片；同時，石墨烯覆層被縱向分隔成多個相互獨(dú)立且絕緣的等份，每一等份形成一個縱向延伸的石墨烯片；電介質(zhì)套筒的一側(cè)表面涂覆的硅片的份數(shù)和另一側(cè)表面涂覆的石墨烯片的份數(shù)的相等；每個硅片與一個外置偏置電壓的一端相連，該外置偏置電壓的另一端與對應(yīng)的石墨烯片相連。
[0013]上述方案中，所述電介質(zhì)套筒為圓柱體或多面柱體。
[0014]上述方案中，電介質(zhì)套筒的半徑等于單極子與石墨烯覆層耦合頻率對應(yīng)波長的1/2。
[0015]上述方案中，電介質(zhì)套筒的高度等于或大于單極子的高度。
[0016]上述方案中，所述電介質(zhì)套筒由電介質(zhì)材料制成。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下特點(diǎn):
[0018]1、在天線固有結(jié)構(gòu)上，給其外圍套上石墨烯覆層的高阻抗表面，使得天線與外圍高阻抗表面發(fā)生電磁耦合，產(chǎn)生耦合諧振頻率，新產(chǎn)生的耦合諧振頻率與天線原諧振頻率組成基于石墨烯覆層天線系統(tǒng)的諧振頻段，使得石墨烯覆層天線實(shí)現(xiàn)寬帶或超寬帶；
[0019]2、通過調(diào)節(jié)石墨烯的外加偏置電壓來改變石墨烯阻抗分布以及阻抗值，調(diào)節(jié)基于石墨烯覆層天線系統(tǒng)的諧振頻率，實(shí)現(xiàn)頻率可重構(gòu)，并通過調(diào)節(jié)外加偏置電壓實(shí)現(xiàn)天線工作頻率連續(xù)調(diào)控，克服了以往頻率可重構(gòu)天線對頻率的調(diào)控上不能連續(xù)調(diào)諧的缺點(diǎn)。
[0020]3、將石墨烯用作天線的高阻抗表面，當(dāng)其阻抗取很小值時能夠充當(dāng)天線的引向器或者反射器，不需要移動不同阻抗值的石墨烯片，便能使天線的輻射方向發(fā)生改變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)天線的方向圖可重構(gòu)。
[0021]4、石墨烯具有較高的載流子密度和良好的場效應(yīng)特性，導(dǎo)致其具有特殊的電性能，使得基于石墨烯的可重構(gòu)天線具有損耗小、效率高、電導(dǎo)率可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。
[0022]5、能夠方便便捷地達(dá)到天線寬頻帶、頻率可重構(gòu)、以及輻射方向圖可重構(gòu)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性，廣泛應(yīng)用于微波頻段、太赫茲頻段、紅外及光波頻段。
【附圖說明】
[0023]圖1為一種基于石墨烯覆層的可重構(gòu)天線的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖2為另一種基于石墨烯覆層的可重構(gòu)天線的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖中標(biāo)號:1、接地板；2、石墨稀覆層；3、電介質(zhì)套筒；4、娃覆層；5、單極子。
【具體實(shí)施方式】
[0026]實(shí)施例1:
[0027]一種基于石墨烯覆層的可重構(gòu)天線，包括天線本體，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，該天線本體包括接地板I和直立于接地板I上的單極子5所構(gòu)成的單極子5天線模型。上述接地板I和單極子5均由金、銀、鋁、銅或鐵等導(dǎo)電性能高的金屬制成。接地板I和單極子5的結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有技術(shù)相同或相近似。為了提高天線的帶寬，所述天線本體進(jìn)一步包括一上下貫通、并呈中空柱狀的電介質(zhì)套筒3。所述電介質(zhì)套筒3由二氧化硅、三氧化二鋁、砷化鎵、FR4或其他電介質(zhì)材料制成。其形狀可以是圓柱體或多面柱體。該電介質(zhì)套筒3位于接地板I的上方且置于單極子5的外圍，即單極子5置于套筒中。電介質(zhì)套筒3上涂覆有石墨烯覆層2和硅覆層4，且石墨烯覆層2和硅覆層4相互間隔。具體涂覆方式有如下兩種，一種是在電介質(zhì)套筒3的內(nèi)側(cè)表面涂覆石墨烯覆層2，外側(cè)表面涂覆硅覆層4 ;另一種是在電介質(zhì)套筒3的外側(cè)表面涂覆石墨稀覆層2，內(nèi)側(cè)表面涂覆娃覆層4。上述石墨稀覆層2和娃覆層4各與外置偏置電壓的一端相連，且與外置偏置電壓的正極相連的石墨烯覆層2或硅覆層4與接地板I之間存在一定的間隙。當(dāng)石墨烯覆層2與外置偏置電壓的正極相連，硅覆層4與外置偏置電壓的負(fù)極相連時，石墨烯覆層2與接地板I之間存在一定的間隙；當(dāng)石墨烯覆層2與外置偏置電壓的負(fù)極相連，硅覆層4與外置偏置電壓的正極相連時，硅覆層4與接地板I之間存在一定的間隙。
[0028]上述結(jié)構(gòu)的天線本體的尺寸發(fā)生改變時，其諧振頻域也發(fā)生改變，使得天線的頻率可以在很寬的頻段范圍內(nèi)(微波頻段、太赫茲頻段、紅外及光波頻段)實(shí)現(xiàn)。通過改變電介質(zhì)套筒3及其表面的石墨烯覆層2和硅覆層4的高度和半徑，可以改變單極子5與電介質(zhì)套筒3上的石墨烯覆層2的耦合頻率，天線的工作頻率改變，進(jìn)一步使得天線的頻率特性可以在很寬的頻率范圍內(nèi)(微波頻段、太赫茲頻段、紅外及光波頻段)實(shí)現(xiàn)。在本實(shí)用新型中，電介質(zhì)套筒3的半徑約等于單極子5與石墨烯覆層2耦合頻率對應(yīng)波長的1/2。電介質(zhì)套筒3的高度約等于或大于單極子5的高度。嚴(yán)格來說，上述電介質(zhì)套筒3的半徑為電介質(zhì)套筒3的厚度中心的半徑，而當(dāng)電介質(zhì)套筒3的自身厚度較小時，其電介質(zhì)套筒3的半徑也可以視為電介質(zhì)套筒3的內(nèi)半徑或外半徑。
[0029]為了保證外置偏置電壓的加載可靠性，與外置偏置電壓的正極相連的石墨烯覆層2或硅覆層4不能直接與接地板I導(dǎo)通，即:當(dāng)石墨烯覆層2與外置偏置電壓的正極相連，硅覆層4與外置偏置電壓的負(fù)極相連時，石墨烯覆層2與接地板I之間存在一定的間隙；當(dāng)石墨烯覆層2與外置偏置電壓的負(fù)極相連，硅覆層4與外置偏置電壓的正極相連時，硅覆層4與接地板I之間存在一定的間隙。
[0030]下面以石墨烯覆層2與外置偏置電壓的正極相連為例，對石墨烯覆層2與接地板I之間存在一定的間隙的具體實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行說明:一種方式是，讓電介質(zhì)套筒3的底部直接固定在接地板I上，石墨烯覆層2不會一直涂覆到電介質(zhì)套筒3表面的最低端與接地板I相連處，而是在涂覆時石墨烯覆層2與接地板I之間留有一定的間隙。一種方式是，讓電介質(zhì)套筒3懸設(shè)在接地板I的上方，此時電介質(zhì)套筒3的底部與接地板I之間留有一定的間隙，這樣即便是石墨烯覆層2涂覆到電介質(zhì)套筒3表面的最底端，石墨烯覆層2與接地板I之間仍然會存在一定的間隙。當(dāng)硅覆層4與外置偏置電壓的正極相連時，硅覆層4與接地板I之間存在一定的間隙的具體實(shí)現(xiàn)方式與上述石墨烯覆層2與接地板I之間存在一定的間隙的具體實(shí)現(xiàn)方式相雷同。