加载石墨烯去耦网络的微带阵列天线的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种加载石墨烯去耦网络的微带阵列天线，包括介质板、以及覆于介质板表面的金属地板和2个以上的相互独立的天线阵列单元；2个相邻的天线阵列单元之间设有石墨烯层；该石墨烯层覆于介质板上，且与天线阵列单元之间存在一定的间隙；石墨烯层与一外置直流偏置电压相连接。本发明能够有效降低微带阵列天线中辐射贴片之间的电磁耦合，从而实现阵列天线的紧凑型结构。
【专利说明】
加载石墨稀去輔网络的微带阵列天线
技术领域
[0001] 本发明设及天线及超材料技术领域，具体设及一种加载石墨締去禪网络的微带阵 列天线。
【背景技术】
[0002] 微带阵列天线因其重量轻、成本低、易加工和便于共形等诸多优点，已经广泛应用 于飞机、卫星和导弹等无线通信系统。但是通常认为微带阵列天线单元间距应大于二分之 一波长，才能避免福射单元间的禪合相互影响，W保证天线的福射性能。然而，尺寸受限的 通讯设备往往无法提供微带阵列天线所需的间距，因此，W当前对天线的需求来看，尺寸大 小早已成为天线应用的决定性因素。
[0003] 目前，天线阵列间的去禪工作常见的有缺陷地结构(DGS)和谐振结构。其中缺陷地 结构是在微带天线地板上开槽或制作其他周期结构，其缺点在于构成缺陷地结构的晶格， 尺寸偏大，导致最终的去禪网络所需面较大。谐振结构虽然能够有效降低单元间的禪合，保 证隔离度，但是谐振结构会损耗一大部分电磁能量，影响天线阵列整体的福射性能。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是现有微带阵列天线存在尺寸大和单元隔离度差的 问题，提供一种加载石墨締去禪网络的微带阵列天线，能够有效降低微带阵列天线中福射 贴片之间的电磁禪合，从而实现阵列天线的紧凑型结构。
[0005] 为解决上述问题，本发明是通过W下技术方案实现的：
[0006] 加载石墨締去禪网络的微带阵列天线，包括介质板、W及覆于介质板表面的金属 地板和2个W上的相互独立的天线阵列单元;2个相邻的天线阵列单元之间设有石墨締层； 该石墨締层覆于介质板上，且与天线阵列单元之间存在一定的间隙；石墨締层与一外置直 流偏置电压相连接。
[0007] 上述方案中，石墨締层通过一二氧化娃基底和和单晶娃衬底覆于介质板上；其中 石墨締层的下表面与二氧化娃基底的上表面相贴，二氧化娃基底的下表面与单晶娃衬底的 上表面相贴，单晶娃衬底的下表面与介质板的上表面相贴。
[000引上述方案中，外置直流偏置电压的一端与石墨締层连接，外置直流偏置电压的另 一端与单晶娃衬底连接。
[0009] 上述方案中，所有天线阵列单元的结构相同。
[0010] 上述方案中，每个天线阵列单元均由福射贴片、阻抗匹配器和馈线组成;福射贴片 覆于介质板的表面上，福射贴片经由阻抗匹配器与馈线连接。
[0011] 上述方案中，阻抗匹配器和馈线也覆于介质板的表面上。
[0012] 上述方案中，金属地板位于介质板的下表面，所有天线阵列单元均位于介质板的 上表面。
[0013] 与现有技术相比，本发明具有如下特点：
[0014] I.对于不同天线阵，可W通过调整石墨締的偏置电压和尺寸来提高阵元间的隔离 度；
[0015] 2.利用石墨締降低阵元间的电磁互禪，不会改变天线的工作频率和带宽；
[0016] 3.利用石墨締降低阵元间的电磁互禪，能够在保证天线福射性的能情况下，将阵 元间的距离压缩到小于0.05倍波长。
【附图说明】
[0017] 图1为一种加载石墨締去禪网络的微带阵列天线的立体结构示意图。
[0018] 图2为图1的俯视图。
[0019] 图3为石墨締偏压加载方式示意图。
[0020] 图4为基于石墨締去禪的阵列天线的S参数仿真数据图。
[0021] 图5为加载与未加载石墨締远场方向仿真对比图；其中(a)为E面、(b)为H面。
[0022] 图中标号：1、介质板；2、石墨締；3、二氧化娃基底;4、单晶娃衬底；5、天线阵列单 元;5-1、馈线;5-2、阻抗匹配器;5-3、福射贴片;6、金属地板。
【具体实施方式】
[0023] -种加载石墨締2去禪网络的微带阵列天线，如图1和2所示，由介质板1、金属地板 6、W及2个W上的相互独立的天线阵列单元5组成。金属地板6和天线阵列单元5可W位于介 质板1的同一侧表面上，也可W位于介质板1的不同侧表面上。在本发明优选实施例中，金属 地板6位于介质板1的下表面，所有天线阵列单元5均位于介质板1的上表面。
[0024] 介质板1作为阵列天线的介质板1，长X宽X厚为160mmX95mmX0.8mm，相对介电 常数为4.4,损耗角正切为0.02。介质板1边缘距福射贴片5-3边缘距离略大于四分之一波 长，使得福射贴片5-3与金属地板6的良好作用，保证天线福射性能。
[0025] 天线阵列单元5为印刷在介质板1上的金属结构层，所有天线阵列单元5的结构相 同，相互之间存在一定的间距。天线阵列单元5的尺寸是由介质板1介电常数、损耗角正切、 厚度和天线工作频率决定。在本发明优选实施例中，每个天线阵列单元5均由福射贴片5-3、 阻抗匹配器5-2和馈线5-1组成。福射贴片5-3经由阻抗匹配器5-2与馈线5-1连接，阻抗转换 器使得微带天线边缘阻抗与馈线5-1端口输入阻抗达成匹配，W良好馈电。福射贴片5-3需 覆于在介质板1的表面上，而阻抗匹配器5-2和馈线5-1可W采用外接的形式（比如背馈或底 馈），也可W采用覆于在介质板1表面的形式。在本发明优选实施例中，阻抗匹配器5-2和馈 线5-1也覆于介质板1表面上，即为微带馈电。去禪网络是位于两幅射贴片之间进行电磁波 的抑制，不受于馈电形式的限制
[0026] 金属地板6为印刷于介质板1上的覆盖金属层。在本发明优选实施例中，金属地板6 全覆盖于介质板1的下表面。金属地板6与天线阵列单元5的福射贴片5-3相互作用，两者共 同构成双线结构，保证天线的正常工作。
[0027] 为了在有限的尺寸内减小天线阵列单元5之间的相互影响，本发明在2个相邻的天 线阵列单元5之间增设石墨締2层来构建去禪网络。石墨締2层与天线阵列单元5之间存在一 定的间隙。石墨締2层可W直接覆盖在介质板1上，也可W通过一二氧化娃基底3和单晶娃衬 底4覆于介质板1上。在本发明优选实施例中，石墨締2附于尺寸相同的二氧化娃基片上，石 墨締2层位于二氧化娃基底3的上表面，二氧化娃基底3的下表面与相同尺寸的单晶娃衬底4 上表面相贴，单晶娃衬底4与介质板1的上表面相贴。石墨締2层附着在二氧化娃基底3上并 贴在单晶娃衬底4上作为一个整体，置于天线阵列单元5福射贴片5-3之间，紧贴在介质板1 上。在本发明优选实施例中，二氧化娃基底3的厚度为200nm，相对介电常数为3.9,单晶娃衬 底4厚度为9.5um，相对介电常数为11.9。二氧化娃基底3和单晶娃衬底4厚度会影响石墨締2 去禪的频率范围。石墨締2层是附着于二氧化娃基底3的厚度视为O的阻抗型表面。由于石墨 締2可W通过外置偏压进行调控，不同偏压下的石墨締2呈不同的电导率，从而调控表面电 磁波在石墨締2表面的传输特性。在某些特定的偏置电压下，表面波被完全截止。因此，本发 明将石墨締2层与一外置直流偏置电压相连接，通过给石墨締2施加直流偏置电压，调整偏 置电压，W控制石墨締2对表面电磁波的传输和截止特性，从而极大程度地抑制了相邻天线 阵列单元5间的电磁互禪，从而达到去禪目的。外置直流偏置电压可W采用直接加载的形 式，也可W如本发明优选实施例所述，将外置直流偏置电压的一端与石墨締2层连接，外置 直流偏置电压的另一端与单晶娃衬底4连接。参见图3。
[0028] 参见图1，在Y方向石墨締2边缘加载电极，W便对石墨締2加偏置电压，进而控制石 墨締2的费米能级，进一步控制石墨締2的表面阻抗，抑制表面波的传输，最终实现电磁互禪 的抑制。且石墨締2的长(Y方向）与宽(X方向）对电磁波的去禪效果与去禪频段会产生一定 影响。通过对石墨締2尺寸与偏压进行优化分析，使加载石墨締2的天线阵列在工作频段内， Sll与S21都尽可能小。本发明利用石墨締2极大限度地降低了因阵元间间距太小而引起的 电磁禪合效应。从而极大限度地降低甚至消除了每个阵元的福射特性受相邻阵元的影响， 最终实现阵列天线的紧凑型结构。
[0029] 将石墨締2看作电导率表面，其电导率由Kubo公式得到，由带内电导率和带间电导 率构成：
[0030]
[0031]
[0032]
[0033] 其中，e，&加分别是电荷量，普朗克常数，波兹曼常数，T是室溫300K。!!。化F)为石墨 締2费米能级。r为散射率，其中T = IIZt "是电子弛豫时间。对于频率较低的微波(相对于光 频段），影响石墨締2的表面电导率率主要是〇intra(?,U。，r，T)。
[0034] 通过改变石墨締2偏置电压Vg进而改变其费米能级Ef，即改变石墨締2化学式，石墨 締2所表现的阻抗也会随之改变，进一步对电磁波调控，表面电磁波被抑制，达到天线阵列 阵元间禪合降低的效果。
[0035] 本发明优选仿真案例中：天线阵列工作中屯、频率为2.4G化，工作带宽大于30MHz， 福射贴片5-3边缘间距为10mm，约为0.08倍波长，该波长为2.4G化频率下自由空间波长。馈 电端口位于介质板1侧边，其中天线组件尺寸：L1 = 19.3mm，Wl = 2.5mm，L2 = 20mm，W2 = 0.86mm，L3 = 28.4mm，W3 = 36.74mm。石墨締2尺寸长Lg = 29.4mm位于福射贴片5-3之间，但不 与其连接，且紧贴于介质板1。所加载石墨締2费米能级为0.7eV经计算，实际加载偏压为 131.7V，该偏置电压能通过减少二氧化娃的厚度进一步降低。该天线阵列的S参数仿真结果 如图4所示，由图可知，工作在频率2.4GHz，该天线阵列在未加载基于石墨締2的去禪网络 时，隔罔度S21将近-15dB，而加载了石墨締2去禪网络后，隔罔度降至-35dB左右。且在互禪 极大程度降低的情况下，天线的工作带宽并不受影响。
[0036] 图5为加载与未加载石墨締2远场方向仿真对比图。图5(a)为共面极化与交叉极化 远场E面图。可W看出，在加载了石墨締2结构后，天线的共面极化E面图无变化，交叉极化明 显降低峰值从-14.4地降低至-16.5地，福射性能得到了改善。图5(b)的共面极化与交叉极 化远场H面图。可W看出，加载了石墨締2结构后，天线福射主瓣宽度由80.2°降至79.2°，方 向性有所改善。
[0037] 本发明设计的一种利用石墨締2进行阵列天线单元间的去禪合网络，在保证天线 单元优良的带宽与福射性能情况下，极大降低了阵列间的电磁互禪，并提高了天线的增益， 改善了天线的福射性能。利用石墨締2对天线单元间去禪具有去禪效果好、无频偏、天线结 构更紧凑等优点。
[0038] W上介绍了本发明的原理、特性、功能W及相关优点，需要指出的是：W上仿真案 例仅用于说明本发明的技术方案，并非限制。对于本行业内的相关人员来说，在不脱离本发 明原理的前提下，所进行的改进也应视为本发明的保护范围。同时，结合缩比原理，该方法 仍然能够用于THz频段中贴片型阵列天线中的电磁去禪问题。
【主权项】
1. 加载石墨烯(2)去耦网络的微带阵列天线，包括介质板（1)、以及覆于介质板（1)表面 的金属地板(6)和2个以上的相互独立的天线阵列单元(5);其特征在于:2个相邻的天线阵 列单元(5)之间设有石墨烯(2)层;该石墨烯(2)层覆于介质板（1)上，且与天线阵列单元(5) 之间存在一定的间隙;石墨烯(2)层与一外置直流偏置电压相连接。2. 根据权利要求1所述的加载石墨烯（2)去耦网络的微带阵列天线，其特征在于:石墨 烯（2)层通过一二氧化硅基底(3)和和单晶硅衬底(4)覆于介质板（1)上；其中石墨烯（2)层 的下表面与二氧化硅基底(3)的上表面相贴，二氧化硅基底(3)的下表面与单晶硅衬底(4) 的上表面相贴，单晶硅衬底(4)的下表面与介质板(1)的上表面相贴。3. 根据权利要求2所述的加载石墨烯（2)去耦网络的微带阵列天线，其特征在于：外置 直流偏置电压的一端与石墨烯(2)层连接，外置直流偏置电压的另一端与单晶硅衬底(4)连 接。4. 根据权利要求1所述的加载石墨烯（2)去耦网络的微带阵列天线，其特征在于:所有 天线阵列单元(5)的结构相同。5. 根据权利要求1或4所述的加载石墨烯(2)去耦网络的微带阵列天线，其特征在于:每 个天线阵列单元(5)均由辐射贴片(5-3)、阻抗匹配器(5-2)和馈线(5-1)组成;辐射贴片(5-3)覆于介质板(1)的表面上，辐射贴片(5-3)经由阻抗匹配器(5-2)与馈线(5-1)连接。6. 根据权利要求5所述的加载石墨烯（2)去耦网络的微带阵列天线，其特征在于：阻抗 匹配器(5-2)和馈线(5-1)也覆于介质板(1)的表面上。7. 根据权利要求1所述的加载石墨烯（2)去耦网络的微带阵列天线，其特征在于:金属 地板(6)位于介质板(1)的下表面，所有天线阵列单元(5)均位于介质板(1)的上表面。
【文档编号】H01Q1/52GK106099366SQ201610741404
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月26日
【发明人】高喜, 乔玮, 杨万里, 李思敏, 曹卫平, 姜彦南, 于新华
【申请人】桂林电子科技大学