一种石墨烯射频天线及其制备方法与流程

本发明涉及天线技术领域，特别是涉及一种石墨烯射频天线及其制备方法。

背景技术：

第五代移动通信技术5G是当前通信领域的研究热点。5G技术相对于4G技术，频谱效率提高了5-10倍，因现行移动通信系统主要采用的频段无法满足频谱资源需求，故目前5G倾向于工作在28GHz这一超高频(3-30GHz)频段。

传统的微带贴片天线，如图1所示，由金属接地板11、介质基片12和辐射贴片13组成。现有的辐射贴片采用的大多是金属铜，天线只能工作在特高频段(0.3-3GHz),难以满足5G通信超高频段的要求。

现有技术中，圆锥喇叭天线可以工作在超高频，但是圆锥喇叭天线的结构比微带贴片天线结构复杂，如图2所示，它是一个立体大天线，体积较大，喇叭天线的制造需要用到精确的模具压铸等，制备工艺很复杂。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供一种石墨烯射频天线及其制备方法，采用简单的天线结构，石墨烯作为辐射贴片的材料，不仅可以工作在超高频，而且结构和制备工艺简单。

为达到上述目的，本发明公开了一种石墨烯射频天线，具体技术方案如下：

一种石墨烯射频天线，包括:衬底、绝缘层、馈电传输线、接地电极以及辐射贴片；

所述绝缘层覆盖于所述衬底上；

所述馈电传输线与辐射贴片相连，覆盖于所述绝缘层上；

所述接地电极覆盖于所述绝缘层上；

所述馈电传输线与接地电极共面，共同组成共面波导馈电结构；

所述辐射贴片是石墨烯贴片。

可选的，所述辐射贴片采用的石墨烯贴片长度范围为1190微米～1210微米，宽度范围为1662微米～1682微米，厚度为10纳米。

可选的，所述衬底为2厘米×2厘米，厚度为600微米的本征硅衬底。

可选的，所述绝缘层为2厘米×2厘米，厚度为300纳米的二氧化硅绝缘层。

本发明还公开了一种石墨烯射频天线的制备方法，包括如下步骤：

在所述衬底上沉积二氧化硅薄膜得到所述绝缘层；

将石墨烯转移至绝缘层上；

将已经转移的石墨烯刻蚀成辐射贴片；

为所述辐射贴片添加馈电传输线，在绝缘层上沉积接地电极，形成一个石墨烯射频天线。

可选的，所述在衬底上沉积二氧化硅薄膜得到绝缘层，包括：

通过等离子体增强化学气相沉积PECVD方法，在所述硅衬底上沉积二氧化硅薄膜，得到所述绝缘层。

可选的，所述将已经转移的石墨烯刻蚀成辐射贴片，包括：

将已经转移的石墨烯，通过紫外光刻以及感应耦合等离子体刻蚀ICP技术刻蚀成辐射贴片。

可选的，所述为所述辐射贴片添加馈电传输线，在绝缘层上沉积接地电极，形成一个石墨烯射频天线，包括：

通过紫外光刻为所述辐射贴片添加馈电传输线，通过磁控溅射技术在绝缘层上沉积接地电极，形成一个石墨烯射频天线。

可选的，所述辐射贴片的长度范围为1190微米～1210微米，宽度范围为1662微米～1682微米，厚度为10纳米。

本发明实施例公开的石墨烯射频天线结构简单，通过采用石墨烯贴片作为天线的辐射贴片，采用了共面波导馈电结构，制备工艺简单，天线可以工作在超高频，克服了传统微带贴片天线难以工作在超高频的瓶颈。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中微带贴片天线结构示意图；

图2为现有技术中圆锥喇叭天线示意图；

图3为本发明实施例石墨烯射频天线结构示意图；

图4为本发明实施例石墨烯射频天线尺寸参数图；

图5为本发明实施例石墨烯射频天线S₁₁仿真结果；

图6为本发明实施例石墨烯射频天线驻波比仿真结果；

图7为本发明实施例石墨烯射频天线H面辐射图；

图8为本发明实施例石墨烯射频天线E面辐射图；

图9为本发明实施例石墨烯射频天线Smith图；

图10为本发明实施例石墨烯射频天线制备方法的流程图。

附图标记说明：1-衬底；2-绝缘层；3-第一馈电单元；4-第二馈电单元；5-辐射贴片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前，5G通信技术是当前通信领域的研究热点，相对于4G技术，5G通信技术需要更高的频谱资源，现行移动通信系统主要采用的频段无法满足5G的频谱资源需求，所以5G倾向于工作在超高频。为了保证5G在超高频段得到良好的应用，天线技术的提升是关键。

传统的微带贴片天线，如图1所示，由金属接地板11、介质基片12和辐射贴片13组成。现有的辐射贴片采用的大多是是金属贴片。

目前能够工作在超高频的圆锥喇叭天线，结构比微带贴片天线结构复杂，如图2所示，它是一个立体大天线，体积较大，喇叭天线的制造需要用到精确的模具压铸等，制备工艺复杂。

本发明公开了一种石墨烯射频天线及其制备方法，在满足可以工作在超高频的同时，天线结构的制备方法更简单，以下分别进行详细说明。

参见图3，图3为本发明实施例射频天线的结构示意图，包括：

第一部分，衬底1。衬底1有保护天线的作用。通常选择高阻的材料作为衬底1，还可以选用玻纤布基、玻纤和纸的复合基板、纸基覆铜板等高阻的材料。

第二部分，绝缘层2。绝缘层2覆盖于衬底1上。

衬底1通常会有杂质掺杂，非绝对绝缘材料，在衬底1上覆盖绝缘层2是为了实现绝对绝缘，从而起到绝对保护电路的作用，以便后续天线能够工作在安全的电路环境下。通常我们可以选择电阻率为109～1022欧姆/厘米的物质所构成的材料作为绝缘材料。

第三部分，馈电传输线3。馈电传输线3与辐射贴片5相连，覆盖于绝缘层2上。

馈电传输线3为共面波导馈电结构的一部分，与辐射贴片5相连，可以将电流传输到辐射贴片5上。

第四部分，接地电极4。接地电极4覆盖于绝缘层2上。

馈电传输线3与接地电极4共同组成共面波导馈电结构。

共面波导馈电结构具有单一平面传输线结构的优点，其金属面均在同一平面内，在制作天线时比较容易实现串并联，而且采用的是单一金属层，简化的天线的结构。

第五部分，辐射贴片5。辐射贴片5是石墨烯贴片。

其中，辐射贴片5与馈电传输线3相连，覆盖于绝缘层2上。当电流通过馈电传输线3传到辐射贴片5上时，辐射贴片5向外辐射电磁波。石墨烯具有高电导率，采用石墨烯作为辐射贴片的材料，通过控制石墨烯的形状，可以适应不同频率的电磁波，通过改变石墨烯贴片尺寸的大小，可以满足不同频率的应用需求。石墨烯贴片的尺寸会影响天线工作的频段，贴片的尺寸越小，天线能工作的频段越高。

本发明实施例天线可以接收和辐射电磁波，还可以实现能量转换。外接电源经馈电传输线传输到辐射贴片上，辐射贴片将电流以电磁波的形式辐射出去，成为空间中的电磁波。本发明实施例天线，通过采用石墨烯贴片作为天线的辐射贴片，既能够工作在超高频段，天线的结构又简单，满足工程性能要求的同时，制备成本较低。

可选的，衬底1为2厘米×2厘米，厚度为600微米的本征硅衬底。

硅衬底是一种高阻材料，采用硅衬底可以起到保护天线的作用，衬底1的尺寸对天线性能的影响较小，厚度可以采用其他尺寸，但是衬底1的厚度太厚会吸收辐射能量，600微米的厚度为市面上常规的硅衬底厚度。

可选的，绝缘层2为2厘米×2厘米，厚度为300纳米的二氧化硅绝缘层。

衬底1上覆盖绝缘层二氧化硅为了实现绝对绝缘，硅衬底中有掺杂，不是绝对绝缘的。绝对绝缘可以实现完全的保护电路，这有利于天线正常工作。绝缘的厚度对天线的性能影响较小。有研究表明，将石墨烯置于300纳米厚的二氧化硅薄层上有利于对其进行表征。

可选的，辐射贴片5长度范围为1190微米～1210微米，宽度范围为1662微米～1682微米，厚度为10纳米。

辐射贴片5的尺寸会影响天线工作的频段，通过改变石墨烯贴片尺寸的大小，可以满足不同频率的应用需求。贴片的尺寸越小，天线能工作的频段越高。本发明天线能够工作在超高频段，其中，当贴片长度范围为1190微米～1210微米，宽度范围为1662微米～1682微米时，能够工作在28GHz，这可以满足5G通信技术的频谱需求。

天线中各个结构的尺寸都会影响天线的性能，为了使本发明实施例天线能够工作在超高频并且工作性能良好，需要对天线的各个结构尺寸进行优化，以下进行详细说明。

参见图4，图4为本发明石墨烯宽带射频天线尺寸参数图，包括：

衬底1为W×L＝2厘米×2厘米本征硅衬底，厚度为d1＝600微米。

绝缘层2采用二氧化硅材料，厚度为d2＝300纳米。

辐射贴片5是长度范围为W3＝1190微米～1210微米，宽度范围为L3＝1662微米～1682微米，厚度为10纳米的石墨烯贴片。

馈电传输线3和接地电极4的距离为W0＝40微米，馈电传输线3的宽度W2＝120微米。

将接地电极4沉积在绝缘层2后，与馈电传输线3、辐射贴片5之间形成一个T形槽，如图4中所示。

接地电极4一半的宽度W1＝9.9毫米，T形槽T字长边长度W4＝10.2毫米、接地电极4下沿到T形槽T字下方长边的距离L1＝8.925毫米、辐射贴片5的下边到接地电极下沿4的距离L2＝9.525毫米、T形槽T字短边长度L4＝4.1毫米。

优化后的天线结构的仿真结果如图5至图9所示。

图5为本发明实施例天线在28GHz工作频率处其回波损耗S₁₁值约为-28dB，处于-10dB带宽范围内，且-10dB带宽大约为2.8GHz，满足工程应用需求。

图6为本发明实施例天线驻波比VSWR的仿真结果，在28GHz工作频率处其驻波比VSWR<1.5，满足天线的工程性能需求。

图7和图8分别为本实施例天线的H面辐射图和E面辐射图，辐射图显示该天线具有良好的方向性。

图9为本发明实施例天线的Smith图，图像显示在28GHz附近，天线具有良好的阻抗匹配。

通过上述仿真分析可以看出本发明实施例天线不仅满足工程应用需求，而且具有良好的工作性能。天线结构简单，体积较小。

本发明还公开了一种石墨烯射频天线的制备方法，具体步骤如下：

步骤101，在衬底1上沉积二氧化硅薄膜得到绝缘层2；

按照本发明石墨烯射频天线的结构图，首先需要在衬底1上沉积绝缘层2，衬底1与绝缘层2共同组成介质基片，起到保护电路的作用。

步骤102，将石墨烯转移至绝缘层2上；

将铜制基底上生长的石墨烯旋涂一层PMMA(polymethyl methacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)，然后将其放入刻蚀液中浸泡半小时左右；铜制基底基本被腐蚀干净，此时只剩下石墨烯和旋涂在其上的PMMA，将其转移到去离子水中多次漂洗；再用衬底1和绝缘层2组成的整体将石墨烯从去离子水中捞出，此时石墨烯上还附着有PMMA，将其低温烘干，用丙酮浸泡，去除石墨烯上附着的PMMA，再进行清洗、烘干；最终实现将石墨烯转移到绝缘层2上。

本步骤中，选取的刻蚀液为三氯化铁。刻蚀液的选取不唯一，可以为过硫酸铵、过硫酸钾溶液等溶液。

步骤103，将已经转移的石墨烯刻蚀成所需辐射贴片5的尺寸；

为了满足天线的工程性能需求，需求将辐射贴片5制成满足工作频段的尺寸，在本实施例中，将辐射贴片5刻蚀成为长度范围为1190微米～1210微米，宽度范围为1662微米～1682微米的贴片即可。

步骤104，为辐射贴片5添加馈电传输线3，在绝缘层2上沉积接地电极4，形成一个石墨烯射频天线。

将辐射贴片5刻蚀成所需尺寸之后，需要将共面波导馈电结构添加在辐射贴片5上，组成一个完整的天线结构。具体包括，将辐射贴片5与馈电传输线3相连，在绝缘层2上沉积接地电极4，馈电传输线3与接地电极4构成共面波导馈电结构。

可选的，在衬底1上沉积二氧化硅薄膜得到绝缘层2，包括：

通过等离子体增强化学气相沉积PECVD方法，在硅衬底上沉积二氧化硅薄膜，得到绝缘层2。

在衬底1上沉积绝缘层2时，可以采用恒电流沉积、恒电位沉积、等离子体增强化学气相沉积等电化学沉积方法，本实施例中采用的是等离子体增强化学气相沉积，是一种常规的沉积方法，这种方法利用辉光放电，在高频电场下使稀薄气体电离产生等离子体，这些离子在电场中被加速而获得能量，可以在较低温度下实现二氧化硅薄膜的沉积。

采用等离子体增强化学气相沉积方法时使用氧化亚氮和硅烷气体，反应温度设置为250摄氏度，射频功率200瓦特，硅烷的气体流量为30sccm(standard cubic centimeter per minute，表示1个大气压下，25摄氏度下，每分钟1立方厘米的流量)，氧化亚氮的气体流量为25sccm，腔压为1.0帕。沉积速率大约为60纳米/分钟。

可选的，将已经转移的石墨烯刻蚀成辐射贴片5，包括：

将已经转移的石墨烯，通过紫外光刻以及感应耦合等离子体刻蚀ICP技术刻蚀成辐射贴片5。

为了得到所需辐射贴片5的尺寸，需要将多余部分采用刻蚀技术刻蚀掉多余的石墨烯，可以采用光刻工艺和干法刻蚀工艺。

本发明实施例采用紫外光刻工艺，紫外光刻工艺的设备简单，易于操作。采用光刻胶将石墨烯部分位置包裹着保护起来，露在外面的部分使用感应耦合等离子体刻蚀技术去除，需要用到等离子体刻蚀机。

刻蚀条件为射频功率50瓦，反应仓腔压10毫托，反应仓内为氩气环境，氩气流量30sccm。刻蚀时间1分钟左右。刻蚀温度不能超过40摄氏度。

可选的，为辐射贴片5添加馈电传输线3，在绝缘层2上沉积接地电极4，形成一个石墨烯射频天线，包括：

通过紫外光刻为辐射贴片5添加馈电传输线3，通过磁控溅射技术在绝缘层2上沉积接地电极4,形成一个石墨烯射频天线。

在添加馈电结构时，可以采用光刻和沉积的方法，在本步骤中，依然采用紫外光刻法，因为设备简单、易于操作。选用磁控溅射技术为辐射贴片5添加馈电传输线3和接地电极4是因为此技术的沉积速度快，对二氧化硅薄层的损伤小，能够实现与基片的良好结合，易于实现工业化。

本步骤需要用到多功能溅射系统。真空室中为氩气环境，流量控制在23sccm，真空度保持在0.9帕，金靶电流为0.14安。此条件下金的沉积效率为25纳米/分钟。实验中需要沉积300纳米厚度的金箔，设置磁控溅射时间为720秒。

可选的，所述辐射贴片(5)的长度范围为1190微米～1210微米，宽度范围为1662微米～1682微米，厚度为10纳米。

石墨烯贴片在一定的尺寸范围内是可以工作在超高频的，并且随着尺寸越小，天线所能工作的频率越高。经实验验证，辐射贴片5的长度范围为1190微米～1210微米，宽度范围为1662微米～1682微米时，天线可以工作在28GHz，这是一个面向5G的工作频段。通过本方法制备的天线经过仿真测试，可以工作在超高频段并且具有良好的工作性能。本发明的制备方法简单，易于实现工业化，所采取的技术方法易于实现，材料的成本低，具有实用性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。