石墨烯贴片型太赫兹法布里-珀罗谐振天线及其实现方法
阅读说明：本技术 石墨烯贴片型太赫兹法布里-珀罗谐振天线及其实现方法 (Graphene patch type terahertz Fabry-Perot resonant antenna and implementation method thereof ) 是由 吴林晟 陈谢鹏 冯金龙 黄一 毛军发 于 2021-06-10 设计创作，主要内容包括：一种石墨烯贴片型太赫兹法布里-珀罗谐振天线及其实现方法,包括：由上而下依次设置的固定夹具、法布里-珀罗谐振结构以及加脊馈源喇叭,其中：固定夹具与加脊馈源喇叭相连,法布里-珀罗谐振结构固定设置于加脊馈源喇叭上方并与加脊馈源喇叭的金属上表面共同构成法布里-珀罗谐振腔,加脊馈源喇叭辐射出的电磁波在法布里-珀罗谐振结构中振荡并经调控后在主方向形成所需要的窄波束电磁辐射。本发明将图形化的石墨烯贴片结构应用于太赫兹天线可以提供优良的性能,引入了丰富的设计自由度,该天线工作于太赫兹频段,具有波束宽度易于设计与调控的优点。(A graphene patch type terahertz Fabry-Perot resonant antenna and an implementation method thereof are disclosed, and the method comprises the following steps: from top to bottom set gradually mounting fixture, fabry-perot resonant structure and add spine feed loudspeaker, wherein: the fixed clamp is connected with the ridge feed source loudspeaker, the Fabry-Perot resonant structure is fixedly arranged above the ridge feed source loudspeaker and forms a Fabry-Perot resonant cavity together with the metal upper surface of the ridge feed source loudspeaker, and electromagnetic waves radiated by the ridge feed source loudspeaker oscillate in the Fabry-Perot resonant structure and form required narrow-beam electromagnetic radiation in the main direction after being regulated and controlled. According to the terahertz wave antenna, the patterned graphene patch structure is applied to the terahertz wave antenna, so that excellent performance can be provided, rich design freedom is introduced, the terahertz wave antenna works in a terahertz frequency band, and the terahertz wave antenna has the advantage that the wave beam width is easy to design and regulate.)
技术领域
本发明涉及的是一种微波通信领域的技术，具体是一种基于石墨烯贴片型结构的太赫兹 法布里-珀罗谐振天线及其实现方法。
背景技术
法布里-珀罗(Fabry-Perot)谐振结构是现有实现窄波束天线的常用方法，其工作原理是当 入射电磁波频率满足谐振条件时，对应频率的方向性系数会有很高的峰值，而不满足谐振条件 的频率对应的方向性系数幅度较小。法布里-珀罗谐振(FPR)天线由法布里-珀罗谐振腔以及天线 馈源组成，谐振腔由两个反射面组成，其中一个反射面通常为具有全反射特性的金属反射面， 另一个反射面为具有部分反射特性的部分反射面，通常由频率选择表面(FSS)组成，两个反射面 之间的距离与部分反射面的反射系数面共同决定了谐振频率。当电磁波从天线馈源发出后，在 部分反射面发生部分反射和部分透射，在金属反射面全反射，在谐振腔中来回振荡。当满足谐 振条件时，天线前向辐射增加，波束宽度减小，方向性增强。
现有大部分法布里-珀罗谐振天线均工作于微波和毫米波低频段，工作于太赫兹频段的 FPR天线较为少见。首先，随着工作频率的提高，对加工工艺精度提出了更高的要求。其次， 对于太赫兹频段的FPR天线而言，由于充当谐振腔体的中间层介质厚度存在限制，可供太赫兹 频段使用的规格较少。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种石墨烯贴片型太赫兹法布里-珀罗谐振 天线及其实现方法，将图形化的石墨烯贴片结构应用于太赫兹天线可以提供优良的性能，引入 了丰富的设计自由度，该天线工作于太赫兹频段，具有波束宽度易于设计与调控的优点。所 提出的图形化金属-石墨烯混合结构工艺可用于加工实现出所设计的太赫兹天线。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于金属-石墨烯混合结构的太赫兹窄波束法布里-珀罗谐振天线，包 括：由上而下依次设置的固定夹具、法布里-珀罗谐振结构以及加脊馈源喇叭，其中：固定夹具 与加脊馈源喇叭相连，法布里-珀罗谐振结构固定设置于加脊馈源喇叭上方并与加脊馈源喇叭 的金属上表面共同构成法布里-珀罗谐振腔，加脊馈源喇叭辐射出的电磁波在法布里-珀罗谐 振结构中振荡并经调控后在主方向形成所需要的窄波束电磁辐射。
所述的固定夹具为低介电常数、低损耗的介质制成，具体介质包括：聚乳酸(PLA)；
所述的法布里-珀罗谐振结构包括：依次位于介质层上的金属图案和石墨烯图案，其中： 石墨烯图案和金属图案具有导电性并形成反射面以实现对电磁波的部分反射。
所述的介质层不具有导电性，其用于分割①部分反射面与②作为金属反射面的加脊 馈源喇叭上表面。
所述的加脊馈源喇叭包括：喇叭主体、分别设置于喇叭主体两端的金属脊和波导口， 其中：喇叭主体的上方为金属上表面，金属脊位于喇叭主体靠近法布里-珀罗谐振结构一侧， 用于外部连接馈电的波导口位于喇叭底部远离法布里-珀罗谐振结构一侧。
所述的法布里-珀罗谐振结构，通过金属-石墨烯混合结构工艺实现，包括以下步骤：
步骤1、准备一片基片，该基片可以耐受1000℃的高温工艺。
步骤2、在基片上旋涂光刻胶并烘干，从而得到完整的均匀光刻胶层。
步骤3、将掩模版放置于覆有完整均匀光刻胶层的基片上，进行曝光、显影和刻蚀操作， 形成图形化的光刻胶图层。
步骤4、使用电子束蒸发工艺在基片上蒸镀一层均匀的金属膜，该金属膜通常为镍或铜。
步骤5、将基片放入光刻胶溶剂中，去除图形化的光刻胶，从而得到图形化的金属膜。
步骤6、将基片放入管式反应炉中，使用化学气相沉积(CVD)方法在图形化的金属膜上 生长图形化的石墨烯，最终得到加载石墨烯的贴片结构。
技术效果
现有的法布里-珀罗天线大都工作于微波毫米波等较低频段，而工作于太赫兹频段的法 布里-珀罗天线较为少见。随着工作频率的提高，低频下常用的加工工艺无法满足天线的工艺 需求。此外，石墨烯由于其电导率可调的特性，为法布里-珀罗天线中的部分反射面引入了新 的自由度。目前已有的一些利用石墨烯电导率可调节特性实现太赫兹频段谐振频率可重构法布 里-珀罗天线的工作由于采用完整的非图形化石墨烯，导致部分反射面的反射特性难以调节， 无法准确控制天线的波束宽度。为了调节部分反射面的特性，本发明将设计了石墨烯贴片型频 率选择表面作为部分反射面，相较于整片石墨烯引入了更多的设计自由度，并且提出了金属- 石墨烯混合结构工艺以确保天线实际加工的可行性。
与现有技术相比，本发明将图形化的石墨烯，具体的为贴片型石墨烯应用于法布里-珀 罗天线中部分反射面的设计，相较于传统的金属材料以及整片石墨烯引入了更多的设计自由度， 并优化贴片结构的尺寸，实现了波束宽度满足特定条件的法布里-珀罗天线，为了确保设计的 可行性，提出了金属-石墨烯混合结构加工工艺。
附图说明
图1(a)和图1(b)为本发明整体结构示意图；
图2为本发明中的固定夹具的示意图；
图3为本发明中的法布里-珀罗谐振结构的示意图；
图4为本发明中的法布里-珀罗谐振结构石墨烯图案的局部放大示意图；
图5为本发明中的法布里-珀罗谐振结构的基本单元结构示意图；
图6(a)和图6(b)为整片石墨烯和本发明中的金属-石墨烯混合结构频率选择表面的 等效电路示意图；
图7(a)为整片石墨烯和本发明中的金属-石墨烯混合结构频率选择表面的反射系数 曲线；图7(b)为整片石墨烯和本发明中的金属-石墨烯混合结构频率选择表面的传输系数 曲线；
图8为本发明所提出的金属-石墨烯混合结构加工工艺流程示意图；
图9为本发明中的加脊馈源喇叭的示意图；
图10(a)和图10(b)为太赫兹加脊馈源喇叭以及FPR天线在310GHz，和90°时的归一化方向图；
图中：固定夹具1、法布里-珀罗谐振结构2、法布里-珀罗谐振结构的石墨烯图案21、 法布里-珀罗谐振结构的金属图案22、法布里-珀罗谐振结构的介质层23、基本单元结构的 石墨烯图案211、基本单元结构的金属图案221、基本单元结构的介质层231、加脊馈源喇 叭3、加脊馈源喇叭的金属上表面31、加脊馈源喇叭的喇叭主体32、加脊馈源喇叭金属脊33、 加脊馈源喇叭的标准矩形波导口34。
具体实施方式
本实施例采用贴片型结构的图形化石墨烯，单元的周期为p，贴片的尺寸为a。石墨烯 贴片型部分反射面具有带阻特性，可等效为电容、电感与电阻的串并联谐振电路，由石墨烯有 限电导率实部引入的石墨烯贴片电阻为RGP，电导率的虚部引入的电感为LGP，金属贴片引入的 电感和电容分别为LMP、CMP。此外，贴片自身会提供电感LP，但由于数值较小，一般情况下可 忽略其影响以便分析。
当带内电导率占据主导时，可采用Drude模型对石墨烯进行分析，石墨烯的表面电导率 为：σ＝σ0/(1+jωτ)，其中：石墨烯的直流电导率当石墨 烯贴片型结构的单元周期p远小于半波长时，其表面阻抗可以近似为：其中等效电容ε0为真空介电常数，εeff为等效相对介电常数；当石墨 烯贴片介于同种材料的两层介质中时，其等效相对介电常数等于介质基板的相对介电常数，即： εeff＝εr；当石墨烯贴片介于空气和介质之间时，等效相对介电常数εeff＝(εr+1)/2。
将石墨烯的电导率表达式代入后得到石墨烯贴片型结构的表面阻抗其中：ZGP1为电阻和电感串联后的感抗，ZGP2为等效电容；石墨烯的电阻与电感值为：对于整片石墨烯而言，可等效为电感与电阻的串联谐振电路，由石墨烯有限电导率实部引入的 石墨烯电阻为RG，电导率的虚部引入的电感为LG。
则整片石墨烯的表面阻抗为：ZG＝1/σG＝(1+jωτ)/σ0＝RG+jωLG，整片石墨烯的电阻与电感值为：RG＝1/σ0，LG＝τ/σ0。对比石墨烯贴片型结构FSS和整片石墨烯的等效阻抗可以看出，石墨烯的电阻和电感相差了p/(p-a)倍。另外，由于贴片结构引入了片间电容，石墨 烯贴片型结构自身存在谐振特性。
整片石墨烯的表面阻抗虚部始终大于零，在任何频率下都呈感性，并且虚部的大小与频 率大小呈线性关系。而贴片型石墨烯FSS存在谐振频率，石墨烯所在平面的表面阻抗的虚部在 低于谐振频率时小于零，而在高于谐振频率时大于零，即低于谐振频率，石墨烯所在平面呈容 性，高于谐振频率则呈感性。随着频率升高，贴片型FSS石墨烯所提供的感性逐步增大，当高 于一定频率时会超过整片石墨烯所提供的感值，即贴片型石墨烯FSS的石墨烯表面在达到一定 的频率之后可以比整片石墨烯提供更高的电感值。
如图1所示，为本实施例涉及的一种基于金属-石墨烯混合结构的太赫兹法布里-珀罗谐 振天线，包括：固定夹具1、法布里-珀罗谐振结构2以及加脊馈源喇叭3，其中：法布里-珀 罗谐振结构2固定设置于固定夹具1与加脊馈源喇叭3之间。
所述的固定夹具1为中空圆柱体结构，固定夹具1内部设有多边形几何空腔以容纳法 布里-珀罗谐振结构2，该固定夹具1使用3D打印技术加工，组成物质为具有低介电常数的聚 乳酸(PLA)介质，在保证加工精度的同时有效地避免了对辐射电磁波的扰动。
所述的基于金属-石墨烯混合结构的太赫兹法布里-珀罗谐振天线具体应用于310GHz无 线通信和雷达探测等系统。
所述的法布里-珀罗谐振结构2包括：石墨烯图案21、金属图案22以及介质层23，其中：石墨烯图案21为正方形等间距周期排布的石墨烯贴片，其厚度为2.6nm；金属图案22为对应的正方形周期等间距排布金属镍贴片，其厚度为400nm；介质层23为一个半径为10mm的圆柱体，高度为1mm，组成物质为相对介电常数为3.8的石英，当电磁波进入加脊 馈源喇叭3，会从加脊馈源喇叭3靠近法布里-珀罗谐振结构2一侧的圆形喇叭口向外辐射， 辐射出的电磁波到达法布里-珀罗谐振结构2，此时辐射出的电磁波的波束宽度较宽且增益较低，电磁波会在法布里-珀罗结构与加脊馈源喇叭的金属上表面31构成的法布里-珀罗谐振腔 中来回振荡，在法布里-珀罗谐振结构石墨烯图案21和金属图案22的叠层结构处发生反射和 透射，在加脊馈源喇叭金属上表面31全反射。当满足谐振条件时，天线前向辐射增强，波束 宽度减小，在主方向获得所需的窄波束宽度和高方向性。
如图4所示，所述的石墨烯图案21和金属图案22的图形完全重叠，单元周期为400μm， 正方形贴片边长为360μm。
如图5所示，所述的法布里-珀罗谐振结构由基本组成单元周期重复排列组成，其中 石墨烯贴片211与金属贴片221尺寸相同，均位于介质231上方。
所提出的法布里-珀罗谐振结构石墨烯图案21和金属图案22的叠层结构的等效电路如 图6(a)所示。可以看到，等效电路可以视为金属贴片型结构的RLC串联谐振电路与石墨烯 贴片型结构的RLC串联谐振电路的并联，由石墨烯有限电导率实部引入的石墨烯贴片电阻为 RGP，电导率的虚部引入的电感为LGP，金属贴片引入的电感和电容分别为LMP、CMP。此外，贴 片自身会提供电感LP，但由于数值较小，一般情况下可忽略。而整片石墨烯结构的等效电路 如图6(b)所示，其中RG为石墨烯贴片的电阻，LG为石墨烯有限电导率引入的电感，由于石墨 烯特有的电导率可调特性，这两个参数可根据石墨烯的外加电压而改变。对比等效电路及发明 内容如图所示，本发明提出的石墨烯贴片型结构的等效电路中元件更多，较整片石墨烯设计提 供了更多的自由度。
所提出的法布里-珀罗谐振结构石墨烯图案21和金属图案22的叠层结构与整片石墨烯 结构的反射系数幅值及透射系数幅值曲线如图7(a)和图7(b)所示。根据图7(a)所示，由于贴 片型是带阻特性结构，在280～330GHz频段内可以达到-0.5dB以上的反射幅值，与整片 石墨烯结构的反射系数相差不大。根据图7(b)所示，贴片型结构的透射系数在310GHz为 -10dB左右，而整片石墨烯结构的透射系数为-50dB左右，贴片型结构相较整片石墨烯结构的透射系数有明显优势，且对于FPR天线而言，部分反射面结构具有更大的透射系数可以提供更大的波束聚焦能力，从而提高天线的增益。
所述的加脊馈源喇叭3为铜表面镀金的材质，包括：正方形的金属上表面31、喇叭主体32、金属脊33以及标准矩形波导口34。
所述的金属上表面31的边长为20mm。
所述的喇叭主体32高度为21.7mm，其顶部圆形喇叭口内径为7mm。
所述的金属脊33的厚度为1mm，间距为2.3mm。
所述的波导口34用于连接外部激励，为WR3标准波导，其内部尺寸为0.86×0.43mm2。
本实施例涉及上述法布里-珀罗谐振结构2的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、如图8a所示，准备一片石英基片23。
步骤2、如图8b所示，在石英基片23上旋涂光刻胶并烘干，从而得到完整的均匀光刻 胶层。
步骤3、如图8c所示，将铬掩模版放置于覆有完整均匀光刻胶涂层的石英基片上，进行曝光、显影和刻蚀操作，形成图形化的光刻胶图层。
步骤4、如图8d所示，将覆有图形化光刻胶的石英基板放入电子束蒸发机器中，使用电子束蒸发工艺蒸镀一层均匀的镍膜。
步骤5、如图8e所示，将基片放入光刻胶溶剂中，去除图形化的光刻胶，从而得到图形化镍膜22。
步骤6、如图8f所示，将基片放入管式反应炉中，使用化学气相沉积方法在图形化的镍膜上生长图形化的石墨烯21，最终得到法布里-珀罗谐振结构2。
如图10(a)所示，为本实施例天线的太赫兹加脊馈源喇叭在310GHz，和时 的归一化方向图。可以看到，加脊馈源喇叭在时的-10dB波束宽度为17.90°，在时的-10dB波束宽度为16.68°。E面和H面的波束宽度相差1.22°。
如图10(b)所示，为本实施例FPR天线在310GHz，和时的归一化方向图。可以看到，FPR天线在时的-10dB波束宽度为14.97°，在时-10dB波束宽度为14.62°。E面和H面的波束宽度仅相差0.35°。
如图所示，加载石墨烯法布里-珀罗谐振结构后，天线主极化面的-10dB波束宽度分别 从17.90°和16.68°减小到14.97°和14.62°，说明石墨烯法布里-珀罗谐振结构有效地收窄了波 束，增强了天线的方向性；且加载石墨烯法布里-珀罗谐振结构使两个主极化面的-10dB波束 宽度差值从1.22°减小到0.35°，有效改善了主极化面的波束等化度。
与现有技术相比，本发明基于提出的金属-石墨烯混合结构加工工艺，实现了基于金属- 石墨烯混合结构的太赫兹法布里-珀罗谐振天线，在310GHz实现了所设计的波束宽度为 14.62°～14.97°的辐射特性，验证了石墨烯用于太赫兹频段天线的可行性。经过仿真实验，加载 石墨烯法布里-珀罗谐振结构后，天线两个主极化面的-10dB波束宽度分别从17.90°和16.68° 减小到14.97°和14.62°，满足15°±10％的特定要求，且-10dB波束宽度差值从1.22°减小到0.35°， 波束等化度得到明显改善。
与现有技术相比，本方法可以将FPR天线的波束宽度严格控制在特定的范围内(本发明 以15°±10％为例)，同时改善天线的波束等化度。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式 对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围 内的各个实现方案均受本发明之约束。
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