[0001] 本发明涉及太赫兹通信技术领域， 尤其涉及一种基于石墨烯的天线系统。

背景技术

[0002] 近年来， 随着卫星导航、 卫星通信的快速发展和广泛应用， 天线作为这些系统 的前端设备， 其性能指标的优劣， 对于卫星通信手持终端和射频识别读卡设备 的性能起着极其重要的作用。 然而， 现有的天线采用金属贴片的方式进行方向 重构， 由于金属光电效率低， 需要庞大的馈电网络设计才能实现天线方向图 可 重构。 因此， 有必要设计一种基于石墨烯的天线系统， 利用石墨烯优异的光电 效率来实现天线的方向图可重构， 降低馈电网络的复杂度。

技术问题

[0003] 本发明的目的在于提供一种基于石墨烯的天线 系统， 旨在解决现有技术中的无 法实现基于石墨烯元件对方向图上进行重构的 技术问题。

问题的解决方案

技术解决方案

[0004] 为实现上述目的， 本发明提供了一种基于石墨烯的天线系统， 包括天线及两个 电场发生器， 所述电场发生器设置于所述天线上的上方位置 ；

[0005] 所述天线包括介质板、 设置在介质板上表面的激励源、 两个寄生枝节贴片及一 个偶极子天线， 其中：

[0006] 所述基于石墨烯的天线系统关于第一中心轴线 左右对称且关于第二中心轴线上 下对称， 所述第一中心轴线为穿过介质板的圆心且方向 为垂直方向的连线， 所 述第二中心轴线为穿过介质板的圆心且方向为 水平方向的连线；

[0007] 两根寄生枝节贴片分别设置于所述第一中心轴 线左右两端， 所述两根寄生枝节 贴片均与第二中心轴线垂直， 所述偶极子天线设置于第一中心轴线上， 且所述 激励源设置于第一中心轴线及第二中心轴线的 交点位置；

[0008] 每个寄生枝节贴片包括一根条形金属贴片及两 个第一石墨烯贴片， 每根条形金 属贴片由两个第一石墨烯贴片分割为三段； 及

[0009] 所述偶极子天线包括两根梯形金属贴片及两根 第二石墨烯贴片， 其中， 每根梯 形金属贴片的上底与一根第二石墨烯贴片的一 端连接， 每根第二石墨烯贴片的 另一端均连接至激励源； 及

[0010] 每个电场发生器设置于一个寄生枝节贴片的上 方位置， 用于产生电场并赋予所 述第一石墨烯贴片化学势。

[0011] 优选的， 所述基于石墨烯的天线系统还包括用于将所述 电场发生器固定在所述 天线上方位置的支架。

[0012] 优选的， 所述介质板上还设置有连接孔， 所述电场发生器通过支架连接至所述 介质板上的连接孔。

[0013] 优选的， 所述介质板的厚度为 Ιμηι及介电常数为 3.8， 所述介质板为圆形的透明 玻璃基板。

[0014] 优选的， 每根条形金属贴片的头尾两段的长度相等。

[0015] 优选的， 所述两根寄生枝节贴片与所述第一中心轴线的 距离相等。

[0016] 优选的， 所述梯形金属贴片为等腰梯形结构， 所述梯形金属贴片的上底的宽度 与所述第二石墨烯贴片的宽度相等。

[0017] 优选的， 所述第一石墨烯贴片的高度与所述第二石墨烯 贴片的高度相等。

[0018] 优选的， 所述梯形金属贴片的上底的宽度为 W P 下底为 W ₂ 、 高度为 L _{1 ;} 所述 第一石墨烯贴片的高度为 w ₃ 、 宽度为 w ₄ ， 所述条形金属贴片的宽度为 w ₄ 、 高 度为 2xW ₃ +2xL ₃ +L ₂ ， 所述第二石墨烯贴片的宽度为 W ,、 高度为 W ₃ ， 每根寄 生枝节贴片与激励源之间的距离为 L ₄ ， 其中， W ₁ 为2微米、 \¥ ₂ 为6微米、 W ₃ 为 1.6微米、 \¥ ₄ 为2微米、 1^为22微米、 1^ ₂ 为28.4微米、 1^ ₃ 为21.2微米及 L ₄ 为 14.9微米。

[0019] 优选的， 当偶极子天线上的第二石墨烯贴片的化学势 μ _ε1 不为零， 左边的第二 石墨烯贴片上方的电场发生器通电并产生电场 ， 右边的第二石墨烯贴片上方的 电场发生器不通电， 则天线朝左边辐射；

[0020] 当偶极子天线上的第二石墨烯贴片的化学势 μ ^不为零， 右边的第二石墨烯贴 片上方的电场发生器不通电， 左边的第二石墨烯贴片上方的电场发生器通电 并 产生电场， 则天线朝右边辐射。

发明的有益效果

有益效果

[0021] 相较于现有技术， 本发明所述基于石墨烯的天线系统通过左右两 个寄生枝节贴 片中的第一石墨烯贴片上化学势的变化， 可以实现对方向图的重构， 有利于通 信系统在信号接收或发射吋方向的切换。

对附图的简要说明

附图说明

[0022] 图 1是本发明基于石墨烯的天线系统的结构侧视� �。

[0023] 图 2是本发明基于石墨烯的天线系统中天线优选� �施例的结构俯视图。

[0024] 图 3是本发明基于石墨烯的天线系统通过电磁仿� �软件仿真吋反射系数的 S参数 结果示意图。

[0025] 图 4是本发明基于石墨烯的天线系统通过电磁仿� �软件仿真吋的 XOY面的方向 示意图。

[0026] 图 5是本发明基于石墨烯的天线系统通过电磁仿� �软件仿真吋的 YOZ面的方向 示意图。

实施该发明的最佳实施例

本发明的最佳实施方式

[0027] 下面结合具体实施例对本发明做进一步的详细 说明， 以下实施例是对本发明的 解释， 本发明并不局限于以下实施例。

[0028] 参考图 1所示， 图 1是本发明基于石墨烯的天线系统的结构侧视� �。

[0029] 所述基于石墨烯的天线系统包括天线 1及两个电场发生器 2， 所述电场发生器 2 通过支架 3连接至所述天线 1上。 需要说明的是， 所述支架 3为绝缘部件。 所述支 架 3用于将电场发生器 2固定于天线 1的上方。 其中， 所述支架 3的距离可以调整 ， 使得所述电场发生器 2与所述天线 1之间的距离可以调节。 在其他实施例中， 所述支架 3可以省略， 电场发生器 2设置于所述天线 1的上方预算距离即可。 所述 电场发生器 2用于通电并产生电场。 [0030] 参考图 2所示， 图 2是本发明基于石墨烯的天线系统中天线优选� �施例的结构俯 视图。

[0031] 在本实施例中， 所述天线 1包括设置在介质板 10上表面的激励源 14、 两个寄生 枝节贴片 20 (图 1中只标记了一个寄生枝节贴片 20， 另外一个寄生枝节贴片未标 记） 及一个偶极子天线 30。

[0032] 所述介质板 10的厚度为 1μηι， 介电常数为 3.8。 所述介质板 10为透明玻璃基板， 其中， 介质板 10的上表面设置有金属及石墨烯混合形式的单� ��结构。 在本实施 例中， 所述介质板 10为圆形结构。

[0033] 所述天线 1关于第一中心轴线 （图 1中的 ab线） 左右对称， 并关于第二中心轴线

(图 1中的 cd线） 上下对称。 所述第一中心轴线为所述天线 1中穿过介质板 10的圆 心且方向为垂直方向的连线 （即图 1中的线 a-b) ， 所述第二中心轴线为所述天线 1中穿过介质板 10的圆心且方向为水平方向的连线 （即图 1中的线 c-d) ， 第一中 心轴线与第二中心轴线相互垂直。

[0034] 所述每个寄生枝节贴片 20为金属及石墨烯混合形式结构， 其中， 每个寄生枝节 贴片 20包括一根条形金属贴片 11及两个第一石墨烯贴片 13， 每根条形金属贴片 1 1由两个第一石墨烯贴片 13分割为三段， 其中， 每根条形金属贴片 11的头尾两段 的长度相等。 两根寄生枝节贴片 20分别设置于所述第一中心轴线左右两端， 所 述两根寄生枝节贴片 20均与第二中心轴线垂直， 且所述两根寄生枝节贴片 20与 所述第一中心轴线的距离相等。

[0035] 所述偶极子天线 30为金属及石墨烯混合形式结构。 所述偶极子天线 30包括两根 梯形金属贴片 12 (即等腰梯形金属贴片） 及两根第二石墨烯贴片 15， 其中， 每 根梯形金属贴片 12的上底与一根第二石墨烯贴片 15的一端连接， 每根第二石墨 烯贴片 15的另一端均连接至激励源 14。 所述偶极子天线 30设置于第一中心轴线 上， 且所述激励源 14设置于第一中心轴线及第二中心轴线的交点� ��置 （即介质 板 10的圆心位置） 。

需要说明的是， 所述第一中心轴线及第二中心轴线在所述天线 1并不是金属构 成的部件， 而是为了生产或设计的吋候， 方便用户将所述天线 1上的元件 （例如 ， 激励源 14、 两个寄生枝节贴片 20及一个偶极子天线 30) 关于第一中心轴线左 右对称并关于第二中心轴线上下对称。 当所述天线 1工作吋， 所述中心轴线并不 会参与信号接收等任何操作。 在本实施例中， 所述第一中心轴线及第二中心轴 线是为了方便描述天线 1的左右及上下对称结构。 进一步地， 放了方便说明， 图 1中还设置有 XYZ坐标系， 从图 1可以看出， 图 1为 XY平面的截面图。

在本实施例中， 所述梯形金属贴片 12的上底的宽度为 W P 下底的宽度为 W ₂ 、 高度为 L _{1 ;} 所述第一石墨烯贴片 13的高度为 W ₃ 、 宽度为 W ₄ ， 所述条形金属贴 片 11的宽度为 W ₃ 、 高度为 2xW ₃ +2xL ₃ +L ₂ 之和 （其中， 1^ ₃ 为条形金属贴片 11头 尾两段中每一段的长度， 1^ ₂ 为条形金属贴片 11中去除头尾两段及第一石墨烯贴 片 13后剩余的长度） 。

[0038] 进一步地， 所述第二石墨烯贴片 15的宽度为\¥ , (即与所述梯形金属贴片 12的 上底的宽度相等） 、 高度为 W ₃ (即与所述第一石墨烯贴片 13的高度相等） 。 此 夕卜， 每根寄生枝节贴片 20与激励源 14之间的距离为 L ₃ 。

[0039] 在本实施例中， \¥ ,为2微米、 \¥ ₂ 为6微米、 \¥ ₃ 为1.6微米、 \¥ ₄ 为2微米、

为 22微米、 1^ ₂ 为28.4微米、 1^ ₃ 为21.2微米及 1^ ₄ 为14.9微米。

[0040] 进一步地， 所述介质板 10上还设置有连接孔 4， 所述电场发生器 2通过支架 3连 接至所述介质板 10上的连接孔 4。 在其他实施例中， 所述连接孔可以设置于所述 介质板 10的边缘位置。 需要说明的是， 若所述支架 3省略， 则所述连接孔 4也省 略。 此外， 一个电场发生器 2设置于一个寄生枝节贴片 20的上方位置， 当所述电 场发生器 2产生电场吋， 由于第一石墨烯 13优异的电光效应， 第一石墨烯贴片 13 上产生化学势 （以电子伏特表示） 。 在本实施例中， 所述电场发生器 2为平行板

[0041] 当所述天线 1与其它通信装置连接吋， 通过调节第一石墨烯贴片 13及第二石墨 烯贴片 15的化学势来调节信号传输过程中损耗， 具体地说， 当赋予第一石墨烯 贴片 13及第二石墨烯贴片 15的化学势改变吋， 第一石墨烯贴片 13及第二石墨烯 贴片 15的电导率也改变， 通过电导率的改变来调节信号传输过程中损耗 ， 进而 影响金属贴片的下截止频率。 本发明实施例由于采用石墨烯贴片 12， 运用了石 墨烯优异的电光效应， 只需要相对低的电场给石墨烯产生低的化学势 （低至电 子伏特为单位） ， 就可以实现天线的方向图的动态调整。 [0042] 图 3是本发明基于石墨烯的天线系统通过电磁仿� �软件仿真吋反射系数的 S参数 结果示意图； 图 4是本发明基于石墨烯的天线系统通过电磁仿� �软件仿真吋的 XO Y面的方向示意图； 图 5是本发明基于石墨烯的天线系统通过电磁仿� �软件仿真 吋的 YOZ面的方向示意图。

[0043] 在本实施例中， 当偶极子天线 30上的第二石墨烯贴片 15的化学势 μ _£1 不为零， 天线 1左边的第二石墨烯贴片 13上方的电场发生器 2通电并产生电场， 天线 1右边 的第二石墨烯贴片 13上方的电场发生器 2不通电， 则天线 1朝左边 （即第一方向

(D) ,) 辐射； 当偶极子天线 30上的第二石墨烯贴片 15的化学势 μ _ε1 不为零， 右 边的第二石墨烯贴片 13上方的电场发生器 2不通电， 左边的第二石墨烯贴片 13上 方的电场发生器 2通电并产生电场， 则天线 1朝右边 （第二方向 （D) ₂ ) 辐射。

[0044] 具体地说， 当偶极子天线 30上的第二石墨烯贴片 15的化学势 μ _ε1 设置为 0.4 eV ( 激励源 14直接供电） ， 把图 1中左边的第二石墨烯贴片 13的化学势^^ ₂

设置为 0.4eV (即左边的第二石墨烯贴片 13上方的电场发生器 2通电并产生电场） ， 图 1中右边的第二石墨烯贴片 13的 μ _ε3 设置为 OeV (即右边的第二石墨烯贴片 13 上方的电场发生器 2不通电） ， 则左边的寄生枝节贴片 20等效为一个引向器 （化 学势为 OeV的第二石墨烯贴片 13相当于让条形金属贴片 11连通状态） ， 而右边的 寄生枝节贴片 20等效为一个反射器 （化学势为 OeV的第二石墨烯贴片 13相当于让 条形金属贴片 11断幵状态） ， 此吋天线 1将朝第一方向 （D) ,辐射。 当偶极子天 线 30上的第二石墨烯贴片 15的化学势 μ _ε1 设置为 0.4 eV， 把图 1中左边的第二石墨 烯贴片 13的化学势 μ _ε2 设置为 OeV (即左边的第二石墨烯贴片 13上方的电场发生 器 2不通电） ， 图 2中右边的第二石墨烯贴片 13的 μ _ε3 为 0.4eV (即右边的第二石墨 烯贴片 13上方的电场发生器 2通电并产生电场） ， 左边的寄生枝节贴片 20等效为 一个反射器， 右边的寄生枝节贴片 20等效为一个引向器， 此吋天线 1将朝第二方 向 （D) ₂ 辐射。

[0045] 从图 3可以看出天线 1在这两种情况 （即第一方向辐射及第二方向辐射这两种情 况） 下的反射系数稳定 （曲线趋于一致） 。 图 4至图 5展示了天线 1在频率为 3.73T Hz的方向图， 其中图 3与图 4的方向图在两种情况下只是朝向不一样。 也就是说 ， 通过左右两个寄生枝节贴片 20中的第一石墨烯贴片 20上化学势的变化， 可以 实现对方向图进行重构 （例如， 第一方向及第二方向的转换） ， 有利于通信系 统在信号接收或发射吋方向的切换。

[0046] 以上仅为本发明的优选实施例， 并非因此限制本发明的专利范围， 凡是利用本 发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效 流程变换， 或直接或间接运用在 其他相关的技术领域， 均同理包括在本发明的专利保护范围内。

工业实用性

[0047] 相较于现有技术， 本发明所述基于石墨烯的天线系统通过左右两 个寄生枝节贴 片中的第一石墨烯贴片上化学势的变化， 可以实现对方向图的重构， 有利于通 信系统在信号接收或发射吋方向的切换。