[发明专利]一种电容耦合馈电的透明纳米材料天线

说明书

本发明公开了一种电容耦合馈电的透明纳米材料天线。该天线为透明碳纳米材料天线，该天线使用电容耦合方式实现无接触馈电，通过电容电极的大小、形状和电极之间的距离、介电材料、介电常数设计和优化，达到天线阻抗匹配。该天线包括石墨烯天线或碳纳米管天线或石墨烯和碳纳米管组合的天线，该天线是由一层或几层石墨烯或碳纳米管材料构成的纳米尺寸的天线。本发明克服了碳纳米材料与传统馈电结构金属材料界面不相容、接触电阻高、阻抗匹配困难等问题。本发明性能优异，薄而且透明、可弯曲、可折叠、可印刷、可粘贴、可嵌入于智能手机、智能眼镜、和穿戴式电子装置等，达到美观、实用和通讯的功能。

技术领域

本发明涉及透明纳米材料如石墨烯或碳纳米管天线的设计，特别是一种电容耦合馈电设计和阻抗匹配方法。

背景技术

石墨烯(Graphene)是一种单原子层结构超材料，具有很多优异的电、热、机械等材料特性和广阔的工业应用前景，特别是在电子、通讯和智能装置领域。例如文献，K.S.Novoselov等，Nature，Vol490,2012,pp.192，论述了石墨烯材料的优异性能和发展路线图。石墨烯是目前已知导电性能最出色的材料，由石墨烯材料制成的天线，能够以太赫兹(THz)的频率工作。另一方面，碳纳米管有优异的电磁波传播性能。最近，宏观尺度的碳纳米管线制备取得了突破性进展，展现了优越的电子和机械性能(例如参考文献N.Behabtu等，Science，Vol339,2013,pp.182)。因此，碳纳米管线也是优异的纳米天线材料，可以达到通讯装置的天线尺寸要求。

随着智能和穿戴式装置的不断创新发明和生产应用，装置的设计美观、低功耗、内部空间要求也越来越高，天线的设计尤其重要，往往决定了装置的基本尺寸和通讯性能如数据速率和信号强度。具有透明、超薄、可弯曲、可折叠、耐高温、抗腐蚀、电磁性能优越的碳纳米材料天线成为这些通讯智能装置的优先选择，有巨大市场和广阔应用。

然而，碳纳米材料用于天线设计，两个射频性能的关键问题需要解决。第一个是传统的金属材料如铜与碳纳米材料的结构连接问题。碳纳米管与金属材料在热熔化状态下的润湿问题研究发现，传统使用的高表面张力金属材料都与碳纳米管不润湿、难以焊接(参考文献E.Dujardin等，Science，Vol265,1994，pp.1850)。由于天线标准阻抗是50欧姆，透明石墨烯薄膜厚度在一纳米左右，阻抗很高。将导致传统的微带导线等难以和石墨烯阻抗匹配、必然损耗大。

因此，合理有效地应用优异性能的碳纳米材料来设计碳纳米管和石墨烯天线，必须解决两个核心问题，即：阻抗匹配和馈电方法。

发明内容

本发明就是为解决上述碳纳米材料天线设计的技术困难而提出的解决方案。

本发明的技术方案如下：

本发明提供一种电容耦合馈电的透明纳米材料天线，所述天线为透明碳纳米材料天线，所述天线使用电容耦合方式实现无接触馈电，通过电容电极的大小、形状和电极之间的距离、介电材料、介电常数设计和优化，达到天线阻抗匹配。

作为本发明的进一步改进，所述天线包括石墨烯天线或碳纳米管天线或石墨烯和碳纳米管组合的天线，所述天线是由一层或几层石墨烯或碳纳米管材料构成的纳米尺寸的天线。

本发明还提供一种宏观尺寸的电容耦合馈电的透明纳米材料天线，该天线由上述碳纳米材料天线构成。

作为本发明的进一步改进，所述天线为回形针形，天线是多波段、可调谐，由电容耦合方式馈电，使用电极参数优化，易于达到天线阻抗匹配。

作为本发明的进一步改进，所述天线为F形，天线由电容耦合方式实现馈电或/和接地。

作为本发明的进一步改进，电容耦合馈电的两个电极之间的距离从0到1毫米或若干毫米，通过调谐和优化设计达到阻抗匹配。