[发明专利]波束可调的石墨烯漏波天线

说明书

本发明提供了一种波束可调的石墨烯漏波天线，可用于产生波束随外加电压偏置可调的漏波辐射，可覆盖频段主要在低太赫兹频段。2THz频率下的天线体积大小为480μm*150μm*20μm。所发明天线主要包括天线辐射单元、石墨烯电压偏置系统和金属地。该天线具有体积小、波束方向角可调、增益较高等优点。

技术领域

本发明涉及石墨烯漏波天线，具体地，涉及波束可调的石墨烯漏波天线，尤其是一种石墨烯条带间距周期性变化、漏波天线波束方向随所加电压偏置改变而改变的方案。

背景技术

石墨烯是由碳原子构成的只有一层原子厚度的二维晶体，作为一种具有优异晶体品质和电子性质的二维材料，石墨烯表现出独特的电子输运、光学耦合、电磁学和其他新奇的性质。在太赫兹频段天线领域，石墨烯表现出损耗较低，表面电导率随外加电场和磁场可调等优点，有巨大的应用前景。

国外在石墨烯漏波天线已有人研究，通过对现有技术检索发现期刊IEEETransactions on Terahertz Science and Technology上一月份发表的一篇关于石墨烯漏波天线的文章：Sinusoidally Modulated Graphene Leaky-Wave Antenna forElectronic beamscanning at THz。文中介绍了一种在2THz频段的波束可调的漏波天线，石墨烯条带长度宽度均一致，且条带之间没有间隙。通过给石墨烯条带加周期性的电压偏置，可实现漏波天线波束方向改变。这种漏波天线虽然可以实现波束方向可调，但是漏波天线设计需要加载不同种类的电压偏置，供电系统比较繁琐。

对于呈正弦周期性变化的电感表面，沿z方向变化的表面电感分布η_surf可表示为：

其中，j表示虚数单位，a表示调制周期，z表示坐标轴，X_s为未调制的表面阻抗值，M为归一化调制深度，M值一般大于0小于1。

而辐射方向角θ可根据计算得到，其中θ即为波束方向角，η₀为TEM波在真空中的特性阻抗，λ为波长。

当TM波沿这样的电感表面传播时，电磁波会向外辐射，传播常数和衰减系数可从下式计算出：

其中β为传播常数，α为衰减系数，k为波矢，k₀为真空下波矢，X'为X_s/η₀。

根据漏波天线原理，漏波天线电场E可根据公式计算得到，其中L为天线长度。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，利用单层石墨烯电导率随所加电压偏置变化而变化的特点，本发明设计了一种波束可调的石墨烯漏波天线，所有石墨烯条带加相同电压，可用于无线通信系统，该天线体积较小，波束随所加电压偏置可调，增益较高，可用于低太赫兹频段。

根据本发明提供的一种波束可调的石墨烯漏波天线，包括天线辐射单元、石墨烯电压偏置系统、金属地、介质基底；

天线辐射单元包括依次排列的多个石墨烯条带组；

石墨烯条带组中包括依次排列的多个单层石墨烯条带；

石墨烯电压偏置系统对单层石墨烯条带施加电压；

单层石墨烯条带平铺在介质基底上；

金属地设置在介质基底下。

优选地，单层石墨烯条带之间相互独立存在间距，且宽度相同；

多个石墨烯条带组中的单层石墨烯条带之间的间距呈周期性变化，其中，每个石墨烯条带组中的单层石墨烯条带之间的间距变化为一个周期。