[实用新型]一种基于石墨烯超表面的平面波到球面波相控阵芯片

说明书

本实用新型提供了一种基于石墨烯超表面的平面波到球面波相控阵芯片，包括反射型超表面相控阵；所述反射型超表面相控阵包括M×M个周期性排列的石墨烯超表面单元；所述石墨烯超表面单元包括上表面呈圆形结构的石墨烯贴片和下方介质基板；圆形结构的石墨烯贴片与下方介质基板的几何中心在一条直线上。本实用新型利用了石墨烯超表面单元能够使入射波的电场发生0～360°全相位调控的特性，在50THz到60THz的频率范围内，实现了平面波转化为球面波的功能，具有宽频带、平面化、单层结构的优点。

技术领域

本实用新型涉及无线通信领域，特别涉及一种基于石墨烯超表面的平面波到球面波相控阵芯片。

背景技术

近年来，随着的无线通信技术的飞速发展，人们对器件的性能和尺寸要求也越来越高。电磁超表面是一种由周期性或者非周期性的亚波长单元结构排列而成的二维平面阵列，具有天然材料所不具备的超常物理性质。电磁超表面是一种二维结构的电磁材料，其相对轻薄，具有体积小、结构简单等特点，可以对电磁波的幅度、相位、偏振状态进行灵活的控制(Xiangang,L.Priciples of Electromagnetic Waves in Metasurface[J].ScienceChina,2015,58(9):594201)，被广泛用于不规则反射或折射、反射阵天线和极化转换器等方面。

石墨烯是由单层碳原子构成的新型超表面，具有独特的光学特性。与贵金属等材料相比，石墨烯具有更低的传输损耗和更强的电磁控制能力(Grigorenko,A.N.；Polini,M.；Novoselov,K.S.Graphene Plasmonics[J].Nature Photonic,2012,6(11):749-758.)。同时，石墨烯的化学势可以通过化学掺杂以及外加静电电压进行调控，进而改变石墨烯的表面电导率，可以灵活地调控电磁波的波束形状、传输路径和极化方向，实现对器件性能的调节(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)。传统的波形转化阵列大多是使用金属单元作为单元结构，往往需要较为复杂的馈电网络，使得成本变高、结构尺寸变得更为复杂，而且还具有较大的材料损耗。通过设计石墨烯超表面的形状等几何特性，可以在中红外频段内将平面电磁波转化为球面波，且结构简单，工作频带宽，更有利于集成化。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于石墨烯超表面的平面波到球面波相控阵芯片，用于解决现有技术存在的损耗过大和带宽较窄的技术问题。

本实用新型采用如下技术方案：

一种基于石墨烯超表面的平面波到球面波相控阵芯片，包括反射型超表面相控阵；所述反射型超表面相控阵包括M×M个周期性排列的石墨烯超表面单元，M≥20；所述石墨烯超表面单元包括上表面呈圆形结构的石墨烯贴片和下方介质基板。

优选的，所述石墨烯贴片为圆形结构，其半径R的范围在0.05微米和0.5微米之间。

优选的，所述下方介质基板为Rogers RO4003材料，且下方介质基板的横剖面为正方形，其边长p为1微米，厚度h为0.6微米。

优选的，所述石墨烯贴片与下方介质基板之间没有空隙。

优选的，所述石墨烯贴片与下方介质基板的几何中心在一条直线上。

优选的，所述反射型超表面相控阵在50THz到60THz的频率范围内均能将平面波转化为球面波。

优选的，所述周期性排列的石墨烯超表面单元的横剖面构成矩形、圆形或其他多边形结构。