应用于太赫兹频段的石墨烯反射单元的构建方法与流程

本发明涉及微波通信的技术领域，尤其涉及一种应用于太赫兹频段的石墨烯反射单元的构建方法。

背景技术：

随着移动通信系统各项性能指标不断提升，通信速率逐渐提高，同时这也对系统收发端的设备指标提出了更高的要求。天线作为通信系统收发端重要的组成之一，它性能的优劣对整个系统具有较大影响。为了满足高速信息传输，平面天线阵列通常作收发天线使用，其具有高增益、低剖面、易集成等优点。平面天线阵列是由馈源喇叭和不同数量的反射单元组成的，反射单元作为天线阵列的重要组成部分，它的单元特性和对电磁波的电磁响应决定整个天线阵列的整体特性。

目前可用频谱资源越来越紧张，因此使用频段也逐渐扩展到更高的额定频段，太赫兹频段能提供更宽带宽，也更适合高速通信，因此设计一种面向太赫兹频段的平面天线阵列就非常必要。在设计天线阵列时，首先要设计的就是反射单元。目前，使用石墨烯材料设计的反射单元大多是通过改变单元贴片的大小或者调节石墨烯化学势参数实现的，这种方法能够提供的反射相位范围大约只有0～300°，无法实现360°的全相位范围内的调控，当使用它们设计反射阵天线进行波束偏转或聚焦等功能时，对于需要反射相位超过300°的位置，只能都用300°的反射单元代替，这样就会在一定程度上降低性能和控制准确性。

技术实现要素：

为了解决上述技术缺陷，本发明的主要目的在于提供一种应用于太赫兹频段的石墨烯反射单元的构建方法，在使用给定的优化参数条件下，只需对石墨烯反射单元的石墨烯贴片旋转不同角度，实现的反射相位就能取到360°范围内的任意值，而且石墨烯反射单元的结构简单，易于集成。

为实现上述目的，本发明提供了一种应用于太赫兹频段的石墨烯反射单元的构建方法，应用于计算机装置中，该方法包括如下步骤：确定石墨烯反射单元的三层组成结构，该石墨烯反射单元包括最上层的石墨烯贴片、中间层的石英介质板以及底层的金属地板；计算石墨烯贴片的电导率；利用pb相位法计算石墨烯贴片设置在石英介质板上表面的旋转角度θ；输入初始尺寸参数至hfss仿真软件中建立石墨烯反射单元的仿真模型；对石墨烯反射单元的仿真模型进行仿真分析得到仿真分析结果；利用仿真分析结果得出石墨烯反射单元的实际尺寸参数；按照石墨烯反射单元的实际尺寸参数以及石墨烯贴片设置在石英介质板上表面的旋转角度θ构建所述应用于太赫兹频段的石墨烯反射单元。

优选地，所述石墨烯反射单元由三层结构组成的长方体结构，所述石墨烯贴片为矩形，所述石英介质板和金属地板均为一种上下表面均为正方形的长方体结构。

优选地，所述石墨烯贴片设置在石英介质板上表面的中心点位置，且石墨烯贴片设置在石英介质板上表面的旋转角度为θ，所述金属地板设置在石英介质板的下表面，所述石墨烯贴片的中心点与石英介质板的中心点重合，其中，所述旋转角度θ为-90°～90°范围内任意角度。

优选地，所述石墨烯反射单元的实际尺寸参数如下：所述石墨烯贴片的长度为13.39um、宽度为3.2um；所述石英介质板的边长为14um、厚度为26um；所述金属地板的边长为14um、厚度为1um。

优选地，所述石墨烯贴片在低太赫兹频段内的电导率由带内电导率σintra决定，并可以由下式计算：

在公式(1)中，j为虚数单位，e为单位电荷，kb为波尔兹曼常数，是约化普朗克常数，t是室温，γ是石墨烯散射率，τ是弛豫时间，ω是角频率，μc为化学势。

优选地，所述室温t为300k，化学势μc＝0.64ev，弛豫时间τ＝14.6ps，石墨烯散射率取γ＝1/(2τ)。

优选地，当石墨烯反射单元对左旋圆极化和右旋圆极化这两种线极化波的反射相位差180°时，石墨烯贴片旋转角度θ后实现2θ的反射相位，所述石墨烯反射单元按照pb相位法得到石墨烯贴片的旋转角度与反射波的反射相位关系通过下面公式得到：

当一个左旋圆极化波沿-z方向垂直入射石墨烯反射单元的上表面时，入射波ein和反射波ere表示为：

其中和分别是入射波对x分量和y分量的相位偏移；

当石墨烯贴片旋转θ度后，旋转后的坐标x’y’z’和原始坐标xyz之间的关系被表示为：

在和的条件下，公式(4)代入公式(3)中，反射波ere表示为：

由公式(5)得到左旋圆极化分量erlhcp和右旋圆极化分量errhcp：

在以上两式(6)和(7)中，当满足时，

errhcp＝0(9)

从两式(8)和(9)得出左旋圆极化分量erlhcp被保留，幅度不变而相位变为原来的2倍(e^-j2θ)。

优选地，所述石墨烯反射单元的仿真模型的初始尺寸参数通过计算机装置的输入单元输入如下参数：所述石墨烯贴片的长度为10um、宽度为2.9um，石英介质板的边长为13.5um、厚度25um，金属地板的边长13.5um、厚度0.5um。

优选地，所述输入初始尺寸参数至hfss仿真软件中建立石墨烯反射单元的仿真模型的步骤包括：

在hfss仿真软件中按照初始尺寸参数构建石墨烯反射单元的仿真模型；

在墨烯反射单元仿真模型的上部设置一个空气腔，用于模拟在真空环境下石墨烯反射单元的电磁响应；

建立石墨烯反射单元的两组主从边界条件并分别设置在空气腔的四个面上，用来模拟无限大的平面；

在空气腔的最上端设置一个周期单元激励端口作为激励源，用来产生垂直向下的入射波；

在石墨烯反射单元的仿真模型中设置“去嵌入”，表示入射波从石墨烯贴片的上表面开始入射。

优选地，所述利用仿真分析结果得出石墨烯反射单元的实际尺寸参数的步骤包括如下步骤：通过比较仿真分析结果与应用于太赫兹频段的石墨烯反射单元的预期设计性能的差异，不断调整输入的石墨烯反射单元的初始尺寸参数，直到满足应用于太赫兹频段的石墨烯反射单元的性能设计要求后，由计算机装置的输出单元输出石墨烯反射单元的实际尺寸参数。

相较于现有技术，本发明所述石墨烯反射单元的构建方法采用上述技术方案，达到了如下技术效果：本发明提出的石墨烯反射单元通过结合石墨烯和pb相位原理，能够对辐射波束实现360°的全相位调控，从而能够准确的对太赫兹频段电磁波的波前和极化进行操控，而且结构简单，易于集成。

附图说明

图1是实现本发明应用于太赫兹频段的石墨烯反射单元的构建方法的计算机装置的方框示意图；

图2是本发明应用于太赫兹频段的石墨烯反射单元的构建方法的流程图；

图3是本发明应用于太赫兹频段的石墨烯反射单元的立体结构示意图；

图4为石墨烯反射单元的旋转示意图；

图5为利用hfss仿真软件建立石墨烯反射单元的仿真模型示意图；

图6是石墨烯反射单元的反射相位和反射幅度的曲线示意图。

本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，将在具体实施方式部分一并参照附图做进一步说明。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成上述目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1所示，图1是实现本发明应用于太赫兹频段的石墨烯反射单元的构建方法的计算机装置的方框示意图。在本实施例中，所述应用于太赫兹频段的石墨烯反射单元的构建方法应用于计算机装置10中，该计算机装置10包括适于存储多条计算机程序指令的存储器101以及执行各种计算机程序指令的处理器102，该计算机装置10还包括输入单元103以及输出单元104。所述存储器101可以为一种只读存储器rom，电可擦写存储器eeprom、快闪存储器flash或固体硬盘等存储单元。所述的处理器102可以为一种中央处理器(centralprocessingunit，cpu)、微控制器(mcu)、数据处理芯片、或者具有数据处理功能的信息处理器。所述输入单元103为计算机装置1的输入设备，例如输入键盘或鼠标等。所述输出单元104为计算机装置10的输出设备，例如显示器或者打印机等设备。

如图2所示，图2是本发明应用于太赫兹频段的石墨烯反射单元的构建方法的流程图。在本实施例中，所述应用于太赫兹频段的石墨烯反射单元的构建方法的各种方法步骤通过计算机软件程序来实现，该计算机软件程序以计算机程序指令的形式存储于计算机可读存储介质(例如计算机装置10的存储器101)中，存储介质可以包括：只读存储器、随机存储器、磁盘或光盘等，所述计算机程序指令能够被处理器(例如计算机装置1的处理器102)加载并执行如下步骤s21至步骤s27。

步骤s21，确定石墨烯反射单元的三层组成结构。参考图3所示，图3是本发明应用于太赫兹频段的石墨烯反射单元的结构示意图。在本实施例中，石墨烯反射单元1由三层结构组成的长方体结构，包括最上层的石墨烯贴片11、中间层的石英介质板12以及底层的金属地板13。所述石墨烯贴片11设置在石英介质板12上表面的中心点位置，且石墨烯贴片11设置在石英介质板12上表面的旋转角度为θ(即石墨烯贴片11的长边与三维空间坐标轴x轴之间的夹角为θ)，金属地板13设置在石英介质板12的下表面。其中，θ为-90°～90°范围内任意角度。石墨烯贴片11的中心点与石英介质板12的中心点重合，石墨烯贴片11设置在石英介质板12上表面的旋转角度θ都是围绕这个中心点进行旋转形成的。作为优选实施例，所述石墨烯反射单元1的实际尺寸参数如下：石墨烯贴片11为矩形，该石墨烯贴片11的长度a为13.39um、宽度b为3.2um；石英介质板12为一种上下表面均为正方形的长方体结构，该石英介质板12的边长s为14um、厚度h为26um；金属地板13为一种上下表面均为正方形的长方体结构，该金属地板13的边长s为14um、厚度为1um，金属地板13为金属铜。

步骤s22，计算石墨烯贴片11的电导率。由于石墨烯的不同电导率会直接影响反射相位，因此，在设计时需要考虑石墨烯贴片11的电导率。石墨烯的电导率由带内电导率σintra和带间电导率σinter来表征。当石墨烯在低太赫兹频段内(小于10thz)，可忽略带间电导率σinter的影响，其电导率主要由带内电导率σintra决定，并可以由下式计算：

这里j为虚数单位，e为单位电荷(1.6e-19(c))，kb为波尔兹曼常数(1.38e-23(j/k))，是约化普朗克常数，值为1.05e-34(j·s)，t是室温，γ是石墨烯散射率，τ是弛豫时间，w是角频率，μc为化学势。在设计中，选择室温t为300k，化学势μc＝0.64ev，弛豫时间τ＝14.6ps，石墨烯散射率取γ＝1/(2τ)。

步骤s23，利用pb相位法计算石墨烯贴片11设置在石英介质板12上表面的旋转角度θ，进而对辐射波束实现360°的全相位调控。所述的石墨烯反射单元1具有一定范围的反射相位，但是要想实现对辐射波束实现360°的全相位调控范围，就需要结合pancharatnam-berry(pb)相位法对石墨烯反射单元1的石墨烯贴片11按照一定规律进行旋转。pb相位法的优势在于，当石墨烯反射单元1对左旋圆极化和右旋圆极化两种线极化波的反射相位差180°时，石墨烯贴片11旋转角度θ后，能够实现2θ的反射相位。石墨烯反射单元1按照pb相位法旋转的角度与其反射波的反射相位关系能够通过下面的公式推导来说明。

当一个左旋圆极化(lhcp)波沿-z方向垂直入射石墨烯反射单元1的上表面时，入射波ein和反射波ere可以表示为：

这里和分别是入射波对x分量和y分量的相位偏移。

如图4所示，图4为石墨烯反射单元的旋转示意图。当石墨烯贴片11由图4中的(a)位置旋转θ度后得到图4中的(b)位置，旋转后的坐标x’y’z’和原始坐标xyz之间的关系能被表示为：

在和的条件下，公式(4)带入公式(3)中，反射波ere将会表示为：

由公式(5)，可以得到左旋圆极化(lhcp)分量erlhcp和右旋圆极化(rhcp)分量errhcp：

在以上两式(6)和(7)中，当满足时，

errhcp＝0(9)

从两式(8)和(9)中可以看出，左旋圆极化(lhcp)分量erlhcp被保留，幅度不变而相位变为原来的2倍(e^-j2θ)，因此就证明了若想实现2θ的反射相位，只需要旋转θ度就能实现所需的反射相位。

步骤s24，输入初始尺寸参数至hfss仿真软件中建立石墨烯反射单元1的仿真模型；本实施例可以在hfss仿真软件中建立石墨烯反射单元1的仿真模型，根据以上理论依据，通过计算机装置10的输入单元103输入用于建立石墨烯反射单元1的仿真模型的初始尺寸参数：石墨烯贴片11的长度为10um、宽度为2.9um，石英介质板的边长为13.5um、厚度25um，金属地板的边长13.5um、厚度0.5um。如图5所示，图5为利用hfss仿真软件建立石墨烯反射单元1的仿真模型示意图。在本实施例中，利用hfss仿真软件建立石墨烯反射单元的仿真模型的步骤包括：在hfss仿真软件中按照初始尺寸参数构建石墨烯反射单元1的仿真模型；在石墨烯反射单元的仿真模型的上部设置一个区域为空气，这个区域就叫做空气腔，用于模拟在真空环境下石墨烯反射单元1的电磁响应。在仿真设计中，建立两组主从边界(图5中的主边界1、主边界2，以及从边界1、从边界2)条件分别设置在空气腔的四个面上，用来模拟无限大的平面，在空气腔的最上端设置一个周期单元激励端口(floquet端口)作为激励源，用来产生垂直向下的入射波，在仿真模型中设置“去嵌入”，表示入射波从石墨烯贴片11的上表面开始入射。

步骤s25，对石墨烯反射单元模型进行仿真分析得到仿真分析结果。如图6所示，图6是石墨烯反射单元的反射相位和反射幅度的曲线示意图。在本实施例中，利用上述石墨烯反射单元1的模型在hfss仿真软件中进行电磁仿真，能够得到石墨烯反射单元1的电磁响应，即入射波的反射相位和反射幅度的仿真曲线，如图6所示，对于x极化波的反射相位曲线和对y极化波的反射相位曲线，在1.36～1.62thz频段内具有大约180°的相位差，满足pb相位单元旋转的必要条件。图4中的矩形单元指的是pb相位单元，只要矩形单元满足对x极化和y极化两种波的相位差满足约180°，就能使用pb相位旋转方法来获得相位。同时，对于x极化波的反射幅度曲线和对y极化波的反射幅度曲线，在此频段内的幅度值较大(均大于-0.3db)，能够保证足够大反射波的幅度。

步骤s26，利用石墨烯反射单元模型的仿真分析结果输出石墨烯反射单元1的实际尺寸参数。在本实施例中，通过比较s24中的仿真分析结果与应用于太赫兹频段(1.36～1.62thz)的石墨烯反射单元的预期设计性能的差异，不断调整石墨烯反射单元1的输入尺寸参数，直到满足应用于太赫兹频段的石墨烯反射单元1的预期设计性能要求后，才能被准确地确定石墨烯反射单元1的各项实际尺寸参数，并由计算机装置10的输出单元104输出，各项实际尺寸参数如下：石墨烯贴片11的长度a为13.39um、宽度b为3.2um；石英介质板12的边长s为14um、厚度h为26um；金属地板13的边长s为14um、厚度为1um。所述预期设计性能包括应用于太赫兹频段的石墨烯反射单元1的电磁响应性能，即入射波在入射在石墨烯反射单元1上的反射相位和反射幅度等指标性能。

步骤s27，按照石墨烯反射单元1的实际尺寸参数以及石墨烯贴片11设置在石英介质板12上表面的旋转角度制备石墨烯反射单元1。在本实例中，所述石墨烯反射单元1的实际尺寸参数包括上述输出石墨烯贴片11、石英介质板12和金属地板13的各项实际尺寸参数。所述石墨烯反射单元1由三层结构组成的长方体结构，包括最上层的石墨烯贴片11、中间层的石英介质板12以及底层的金属地板13。所述石墨烯贴片11设置在石英介质板12的上表面中间位置(即石墨烯贴片11的中心点与石英介质板12的中心点重合)，金属地板13设置在石英介质板12的下表面。

现有技术通常使用超表面对波束相位进行控制是利用改变单元贴片几何参数或单纯改变可调材料的某一项参数(如只改变石墨烯材料的化学势)来设计超表面，但是这样很难实现对辐射波束反射相位的360°调控，因此在实现各种功能时在一定程度上造成性能的下降和控制精度的降低。与现有技术相比，本发明具有以下技术优点：本发明提出的石墨烯反射单元1通过结合石墨烯和pb相位原理，能够对辐射波束实现360°的全相位调控，从而能够准确的对太赫兹(thz)频段电磁波的波前(等相位面)和极化进行操控。

本领域技术人员可以理解，上述实施方式中各种方法的全部或部分步骤可以通过相关程序指令完成，该程序可以存储于计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器、随机存储器、磁盘或光盘等。

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功能变换，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。