基于石墨烯的太赫兹天线辐射性能研究

摘要

太赫兹相比于微波毫米波频段具有独特的性能，它给雷达、通信（宽带通信）、电子对抗、电磁武器、天文学、安全检查、无损检测、医学成像等领域带来了深远的影响。随着通信系统的快速发展，太赫兹天线越来越受到人们的关注。近几年来，太赫兹天线的设计从传统的天线缩小尺寸到新材料天线的出现有了很大的进步。石墨烯具有优秀的导电性能，在太赫兹频段下的比金属更具有优势。
　　本文研究了基于石墨烯的太赫兹天线的辐射特性，主要工作如下:
　　1、介绍了太赫兹天线的研究现状以及基于石墨烯太赫兹天线的研究进展，阐述了天线的基础知识和石墨烯的电导率模型。
　　2、设计了以石墨烯-铜复合层为辐射体的贴片天线及其阵列（包括天线的测试电极与馈线系统的结构）。提出了两种在工艺上容易实现的天线模型，仿真验证了以石墨烯-铜复合层为辐射体的贴片天线在太赫兹频段下也具有比较高的增益系数。根据工艺要求拟定天线的加工方案，利用半导体工艺缝隙耦合贴片天线进行加工。
　　3、研究了石墨烯对单个碟形天线的开关作用及对阵列碟形天线的波束扫描作用。石墨烯的电导率随其偏置电压的变化可以从导体状态变为非导体状态，利用石墨烯作为碟形天线的接地板可以使偶极子天线的开关状态发生变换。我们又将单个碟形天线组成阵列，仿真结果表明，阵列天线的方向性可以通过改变单元天线的开关状态而发生显著变化，从而实现波束可重构功能。
　　4、提出了一种基于石墨烯AMC的新型可调谐太赫兹天线。加载在石墨烯偏置电场的改变会引起石墨烯周期性单元之间等效电容的变化，从而实现对AMC谐振频率的调控。我们把碟形天线放置在15×15个石墨烯正方形单元组成的周期性结构上，可以发现天线的谐振频率随着加在石墨烯两端的电压的改变而达到动态调节的效果。这种调谐结构可以使天线的带宽高达75％，同时天线的增益也由于AMC接地板的零相位反射特性而显著提高。在谐振频率附近的频点，天线的增益可以高达9dB。相比于其他调谐方式，石墨烯AMC可以有效地应用于纳米尺度的太赫兹器件设计中并且在工艺上容易实现。
　　5、提出了基于石墨烯的频率与波束双重可调的漏波天线。我们把石墨烯嵌入到传统高阻表面的单元之间作为集总元件，通过调节石墨烯的电导率改变单元间的电感值，从而调控高阻表面的反射相位。利用基于石墨烯的可调高阻表面作为二维漏波天线的部分反射面，可以有效调控天线的波束方向与谐振频率。同时我们也提出了这种天线的传输线模型，并通过全波仿真验证了其正确性与实用性。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 太赫兹天线的研究现状

1．1．1 传统平面天线

1．1．2 新型太赫兹天线

1．2 石墨烯天线的研究现状

1．2．1 石墨烯简介

1．2．2 基于石墨烯的太赫兹天线

1．3 本文主要工作

2 石墨烯天线的基本理论

2．1 天线理论基础

2．1．1 天线的基本电参数

2．1．2 两种常见天线的辐射机理

2．2 石墨烯电导率模型

2．3 本章小结

3 以石墨烯为辐射体的太赫兹天线的研究

3．1 石墨烯天线及其阵列

3．1．1 贴片天线及其阵列

3．1．2 缝隙耦合贴片天线及其阵列

3．2 工艺流程

3．3 石墨烯天线实物图

3．4 本章小结

4 基于石墨烯的波束可调天线

4．1 石墨烯对平面碟形天线的开关作用

4．2 石墨烯蝶形阵列天线

4．2．1 碟形双单元阵列

4．2．2 2x2碟形阵列天线

4．3 本章小结

5 基于石墨烯的频率可调天线的研究

5．1 石墨烯AMC的反射特性

5．1．1 石墨烯方形AMC分祈

5．1．2 不同形状AMC反射相位对比

5．2 基于石墨烯AMC的碟形天线

5．3 本章小结

6 基于石墨烯的频率／波束方向可调漏波天线

6．1 基于石墨烯的高阻表面设计

6．2 基于石墨烯高阻表面的二维漏波天线

6．2．1 石墨烯漏波天线的工作频率可重构特性

6．2．2 石墨烯漏波天线的波束方向可重构特性

6．3 本章小结

7 总结与展望

参考文献

作者简介