[发明专利]一种采用石墨烯单元的透明反射阵天线

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用石墨烯贴片单元的传输阵天线，属于天线技术领域。

背景技术

随着卫星通信、微波通信和航空航天技术的发展，高增益天线越来越受到重视。在高增益天线领域，反射阵天线具有抛物面天线和相控阵天线的优点，具体来说，具有以下优点：平面结构、易加工和高辐射效率。石墨烯作为一种新型材料由于其特殊的等离子激元模式在太赫兹频段被广泛研究，但是由于毫米波频段石墨烯的损耗大,该频段石墨烯的研究甚少。

发明内容

发明目的：为了实现反射阵面透明，并保持反射阵高增益和良好方向图的特性。本发明提供了一种新型的反射阵天线相移单元，以石墨烯代替金属，并利用其设计了一种毫米波反射阵天线。

技术方案：一种采用石墨烯单元的透明反射阵天线，包括一个作为馈源的角锥喇叭天线和多个石墨烯单元组成的反射阵列；所述反射阵列包括3层，分别为：石墨烯贴片、石英基板、石墨烯地板，多个石墨烯贴片以阵列的形式排列且设在石英基板上，石英基板设在石墨烯地板，以一个石墨烯贴片为基本单元，每个石墨烯贴片及设在其下方的石英基板和石墨烯地板构成反射阵列的一个石墨烯单元；所述石墨烯贴片的形状为正方形，通过贴片尺寸的变化能够实现反射波相位的变化。其中，石墨烯可采用不同的化学势。

根据馈源角锥喇叭天线的入射波在反射阵表面的相位分布，可得到各个石墨烯贴片的大小，从而设计出反射阵。角锥喇叭天线对反射阵面进行的照射，反射阵面将波束聚焦，提高了增益。整个反射阵列的尺寸为27mm*26mm*0.15mm，整个反射阵天线的焦径比为f/D＝0.65。

所述反射阵列是透明的，即石墨烯贴片、石英基板、石墨烯地板都是透明的。

所述反射阵列包括2808个石墨烯单元，2808个石墨烯单元呈54*52矩阵排列。

有益效果：与现有天线相比，本发明提供的采用石墨烯单元的透明反射阵天线具有透明的特性，因此可集成于透明的物体上，比如：车窗、屏幕等。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为石墨烯单元的结构示意图；

图3为石墨烯反射阵单元的相移曲线；

图4为石墨烯反射阵单元的损耗曲线；

图5为反射阵面相位补偿分布图；

图6为石墨烯反射阵与金属反射阵天线在频率140GHz的E面方向图；

图7为石墨烯反射阵与金属反射阵天线在频率140GHz的H面方向图；

图8为三种化学势下石墨烯反射阵天线与金属反射阵天线的110-170GHz增益曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，采用石墨烯单元的透明反射阵天线，包括一个作为馈源的角锥喇叭天线1和2808个石墨烯单元组成的反射阵列2，反射阵列2包括3层，石墨烯贴片、石英基板、石墨烯地板。2808个石墨烯贴片以54*52阵列的形式排列且设在石英基板上，石英基板设在石墨烯地板，以一个石墨烯贴片为基本单元，每个石墨烯贴片及设在其下方的石英基板和石墨烯地板构成反射阵列2的一个石墨烯单元；石墨烯贴片的形状为正方形，通过贴片尺寸的变化能够实现反射波相位的变化。其中，石墨烯可采用不同的化学势。其中，石墨烯的化学势采用μ_c＝0.5,1.0,2.0eV。

角锥喇叭天线1对反射阵面进行照射，反射阵面将波束聚焦。整个反射阵列2的尺寸为27mm×26mm×0.15mm，整个反射阵天线的焦径比为f/D＝0.65。

反射阵列是透明的，即石墨烯贴片、石英基板、石墨烯地板都是透明的。

如图2所示，每个石墨烯单元的周期长度为p＝0.5mm，石墨烯贴片的形状正方形，通过改变其边长a实现反射相移的变化，石英基板的厚度为h＝0.15mm。

当a从0.05mm变化至0.45mm，石墨烯单元相应的相位响应曲线如图3所示。根据馈源角锥喇叭天线1的入射波在反射阵表面的相位分布，如图5结合图3可得到各个单元贴片的大小，从而设计出反射阵。石墨烯单元相应的相位响应曲线如图4所示。随着化学势的提升，反射损耗降低。

图5和图6给出了石墨烯反射阵(μ_c＝1.0eV)与金属反射阵天线的辐射方向对比图。可以看出，在140GHz时，天线方向图H面的第一副瓣电平为-21.3dB，E面的第一副瓣电平为-24.8dB，与金属反射阵的第一副瓣电平相差无几。图7给出了该反射阵天线在化学势μ_c＝0.5,1.0,2.0eV条件下与金属反射阵天线的增益曲线。可以看出，在147.5GHz时，天线的最大增益分别为27.5，28.5，29.2，29.8dBi。四个天线的-1dB相对增益带宽基本一致，都为15.3％。