石墨烯在太赫茲天線中的應(yīng)用研究.pdf

1、石墨烯具有優(yōu)秀的導(dǎo)電性能，其在近年來(lái)也愈來(lái)愈受到廣泛的關(guān)注，學(xué)術(shù)界對(duì)這種新材料研究熱情也持續(xù)高漲不消。太赫茲相比于傳統(tǒng)天線所在的微波毫米波頻段獨(dú)具很多優(yōu)秀特性，它在雷達(dá)、通信、成像技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)、公共安全、電子對(duì)抗、無(wú)損檢測(cè)等領(lǐng)域有著巨大的研究?jī)r(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景，并將帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響。而石墨烯在太赫茲波段下相比于金屬具備獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如利于阻抗匹配、電導(dǎo)率動(dòng)態(tài)可調(diào)等特性。因而將石墨烯這種新材料應(yīng)用于太赫茲天線中，能為縮小天線尺寸、實(shí)現(xiàn)天線

2、輻射動(dòng)態(tài)可控、改善天線性能帶來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)足的進(jìn)步。
　　本文研究了在太赫茲天線中以各種形式應(yīng)用石墨烯為天線輻射特性帶來(lái)的影響與改善，主要工作如下:
　　1、介紹了太赫茲特性以及國(guó)內(nèi)外基于石墨烯的太赫茲天線的研究進(jìn)展和現(xiàn)狀，闡述了天線的基本理論知識(shí)和石墨烯的電導(dǎo)率模型。
　　2、研究了以石墨烯、石墨烯-金屬?gòu)?fù)合介質(zhì)層作為輻射體的微帶貼片天線、偶極子天線、蝶形天線等太赫茲天線的性能表現(xiàn)。與純金屬天線性能對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)，石墨烯非

3、常有助于天線實(shí)現(xiàn)阻抗匹配且動(dòng)態(tài)可調(diào)，但會(huì)帶來(lái)?yè)p耗導(dǎo)致輻射效率降低，而石墨烯-金屬?gòu)?fù)合材料有效地綜合了兩者的優(yōu)勢(shì)，在保證了一定的輻射效率和增益的基礎(chǔ)上能實(shí)現(xiàn)諧振頻率的動(dòng)態(tài)可調(diào)特性。研究了在偶極子天線和蝶形天線中的將石墨烯層鋪設(shè)于輻射體下，石墨烯對(duì)天線能量輻射狀態(tài)的開(kāi)關(guān)效果。石墨烯的電導(dǎo)率隨其偏置電壓的變化可以從導(dǎo)體狀態(tài)變?yōu)榉菍?dǎo)體狀態(tài)，利用石墨烯作為蝶形天線的接地板可以使偶極子天線的開(kāi)關(guān)狀態(tài)發(fā)生變換。又將單個(gè)蝶形天線組成陣列，仿真結(jié)果表明，

4、陣列天線的方向性可以通過(guò)改變單元天線的開(kāi)關(guān)狀態(tài)而發(fā)生顯著變化，從而實(shí)現(xiàn)波束可重構(gòu)功能。
　　3、研究了將石墨烯與半導(dǎo)體介質(zhì)的接觸界面等效為電容在太赫茲天線中的應(yīng)用。在理論上分析了引入石墨烯等效二極管電容天線的電路模型，并分別設(shè)計(jì)了工作頻率在300GHz的基于石墨烯等效電容的貼片天線、蝶形偶極子天線和基于石墨烯等效電容陣列的光電導(dǎo)偶極子天線。經(jīng)研究分析發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)石墨烯等效電容特性對(duì)以上天線阻抗、諧振頻率等性能的影響并不是單向連續(xù)的而是

5、小范圍內(nèi)微調(diào)連續(xù)、大范圍內(nèi)跳躍式變化的規(guī)律。同時(shí)分析研究了引入四片石墨烯等效電容陣列后，不同調(diào)節(jié)方式對(duì)光電導(dǎo)偶極子天線及其陣列性能的影響。
　　4、研究了通過(guò)調(diào)節(jié)單層石墨烯的電導(dǎo)率從低到高來(lái)實(shí)現(xiàn)的石墨烯貼片引向振子開(kāi)關(guān)。并基于此分析了將單個(gè)石墨烯貼片作為引向振子、將三組石墨烯貼片連成一組作為引向振子和將三組石墨烯貼片陣列作為引向振子陣列引入天線中對(duì)天線S參數(shù)、增益尤其是波束方向的影響以及調(diào)控效果。由此，實(shí)現(xiàn)了在太赫茲波段的特定工作