[发明专利]一种基于石墨烯的太赫兹智能超表面天线单元

说明书

本发明公开了一种基于石墨烯的太赫兹智能超表面天线单元，属于毫米波/太赫兹阵列天线技术领域。该智能超表面天线单元包括介质基板、位于介质基板下方的金属条带状结构以及位于介质基板上方的金属图案层。所述金属图案层中设有一个贯穿的圆环缝隙，该圆环缝隙上设有第一石墨烯结构和第二石墨烯结构，两个石墨烯结构均跨接于圆环缝隙两端金属上，且第一石墨烯结构中心点和第二石墨烯结构中心点与圆环缝隙的圆心连线的夹角α应满足20°≤α≤120°。本发明利用石墨烯材料表面阻抗随电势变化的特性，配合金属图案层和圆环缝隙，实现中心频率95GHz和中心频率300GHz的宽带可重构智能超表面天线单元。

技术领域

本发明属于毫米波/太赫兹阵列天线技术领域，具体涉及一种基于石墨烯的太赫兹智能超表面天线单元，该天线单元能够工作在毫米波高频段和太赫兹频段。

背景技术

智能超表面天线作为一种高增益波束扫描天线，集成了空间馈电与相位调制技术，通过对每个超表面单元状态的精确调控，来控制天线的波束指向。智能超表面天线同时具备高增益与波束实时可控的特性，能够解决毫米波/太赫兹频段电磁波空间传输损耗大，导致系统作用距离受限以及波束实时对准的问题。在新一代毫米波/太赫兹卫星通信、移动通信、雷达探测与成像等领域具有广泛的应用价值。

现有技术的超表面天线在微波和毫米波低频段，普遍采用将PIN开关或变容二极管集成在超表面单元中的方式，实现单元相位调控。但是这样调控方式在毫米波高频段和太赫兹频段非常难以实现，其原因体现在以下两点：

1、PIN开关或变容二极管等这类有源元件的尺寸通常都是毫米级的，由于尺寸限制，难以应用在毫米波高频段和太赫兹(微米及纳米级)的超表面单元中。

2、由于开关结电容的存在，当工作频率提升至毫米波高频段以及太赫兹频段时，开关容抗小到使PN结短路，导致开关失去单向导电性，降低超表面单元的相位调控范围，无法满足超表面天线对单元最小相位调控范围(180°)的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于石墨烯的太赫兹智能超表面天线单元，以解决现有超表面天线单元的相位调控方式无法适用于毫米波高频段和太赫兹频段的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于石墨烯的太赫兹智能超表面天线单元，包括介质基板、位于介质基板下方的条带状金属结构以及位于介质基板上方的金属图案层；

所述条带状金属结构由n个金属条带组成，n个金属条带平行间隔排列；

所述金属图案层中设有一个贯穿金属图案层的圆环缝隙，该圆环缝隙上设有第一石墨烯结构和第二石墨烯结构，两个石墨烯结构均跨接于圆环缝隙两端金属上，且第一石墨烯结构中心点和第二石墨烯结构中心点与圆环缝隙的圆心连线的夹角α应满足20°≤α≤120°。

进一步的，上述基于石墨烯的智能超表面单元的在x方向和y方向的长度相等，取值为工作波长的0.2～0.6倍。

进一步的，所述介质基板材料为石英或蓝宝石，金属条带的材料为金，金属图案层材料为金。

进一步的，所述条带状金属结构的长度与基于石墨烯的智能超表面单元的长度相等；其内各金属条带尺寸相同，且各金属条带宽度整个单元边长的1/8～1/6；排列时，沿金属条带宽边等间距排列。

进一步的，所述n的取值范围为3≤n≤5。

进一步的，所述石墨烯结构为单层或多层石墨烯结构。

进一步的，所述介质基板在Z方向的尺寸为100um～400um，条带状金属结构的厚度为100nm，金属图案层厚度100nm；圆环缝隙内半径65um～265um，外半径75um～315um；第一石墨烯结构和第二石墨烯结构、尺寸均相同，其长度均为50um～160um，宽度均为10um～90um。