基于石墨烯的可重构天线设计

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随着科学信息技术的成熟发展,市场对通信的需求不断增加,为应对复杂多变的通信环境,通信系统中天线的数量也越来越多。可重构天线凭借其可在频率、方向图或极化等方面实现单参数或多参数的重构,使单一天线具备多个天线的功能从而减少天线数量、简化电磁环境而成为天线设计领域的研究热点。石墨烯作为一种新型的二维碳纳米材料,由碳原子在同一平面内以正六边形的形式排列构成。其独特的结构和性质,已经得到了许多领域研究者们的热烈讨论。在微波技术领域,石墨烯表面电导率可随外部偏置电压改变的特性在可调谐天线、功分器、滤波器等无源器件中有着广泛的应用。它解决了高频频段可控开关成本高,调节灵活度受限,难以适用的问题,为可重构天线的设计提供了新的思路。为此,本文结合表面电导率动态可调的石墨烯,对极化可重构以及多参数混合可重构天线进行研究。主要的研究内容如下:1.介绍了可重构天线的国内外研究现状和设计方法,探索了石墨烯的制备方法以及电导率的调控方式,为探究石墨烯在可重构天线设计中的应用奠定基础。2.设计了一款工作于太赫兹频段的双频(1.3-1.33THz、1.46-1.54THz)独立可控的极化可重构表面(APCM)。其单元包含位于不同对角线上的槽线以及与槽线位置对应的石墨烯纳米片。通过改变偏压装置,石墨烯化学势可在0 e V与0.5 e V之间变化,使得APCM可在两个频段内对入射电磁波进行操控,实现反射波在极化转化和极化保持间切换。3.设计了一款基于石墨烯的太赫兹双频极化可重构天线。该天线由作为源天线的全向天线以及位于源天线下方的可调天线罩组成。通过调节天线罩极化转换/保持的状态,该天线具有两个工作频段和包含双线性极化和双圆极化在内的四种工作模式。4.提出了一种基于石墨烯的极化可重构天线。该天线包含一个T型功分结构和一个圆形辐射贴片。T型功分的左右侧支路均通过石墨烯与开路线相连。通过调节石墨烯的方阻,可对工作端口进行选择。当石墨烯的方阻为20Ω/sq时,支路断开,端口不工作;当石墨烯的方阻为200Ω/sq时,支路连通,端口工作。选择不同的端口工作,天线可在水平极化和垂直极化两种极化模式间进行选择。5.设计了一款基于石墨烯的极化与频率混合可重构天线。该天线利用T型功分结构和移相装置实现了圆极化。T型功分的左右侧支路均通过石墨烯与开路线相连。调节石墨烯的方阻,可对工作端口进行选择。当双端口同时工作时,天线在两个频段内辐射圆极化波;当1端口或2端口单独工作时,天线所辐射电磁波的极化状态可为水平极化或者垂直极化。并且单端口工作时,天线具有不同的工作频段。6.设计了一种基于石墨烯的极化和方向图混合可重构天线。该天线将研究内容4所提出的线极化可重构天线作为单元,构成二元阵列。由两个圆形的辐射贴片和四等分功分结构构成。石墨烯用于将功分结构每条支路的馈线与开路线进行相连。通过选择工作的端口,天线可实现线极化重构,圆极化重构以及方向图的重构。
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