基于石墨烯的可编程双偶极子天线与寄生元件的设计与研究

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石墨烯 天线 波束成形 亚太赫兹 透明天线

基于石墨烯的可编程双偶极天线

基于石墨烯的可编程双偶极天线

学术背景

太赫兹（THz）频段（0.1至10 THz）因其独特的特性，在无线通信、高分辨率成像和人体中心通信等领域中引起了广泛关注。然而，太赫兹波在大气中的传播损耗较大，导致短距离通信成为其主要缺点之一。此外，设计和制造适用于太赫兹应用的设备也面临挑战，尤其是信号源的增益和覆盖范围问题。尽管如此，亚太赫兹频段为下一代无线通信系统提供了前所未有的机会，包括理论数据速率超过100 Gbps的信道容量、天线几何形状的显著小型化以及更高的空间分辨率。

为了克服这些限制，可重构天线（RAs）成为无线通信研究中的热门话题。传统的可重构天线通常通过PIN二极管、微机电系统（MEMS）开关等实现，但这些技术不适用于太赫兹频段。石墨烯作为一种二维材料，因其可调表面电导率和与其它组件的无缝集成能力，成为开发可调电磁设备的理想选择。然而，基于石墨烯的可重构天线仍面临辐射效率低等问题，尤其是在化学势接近0 eV时。

此外，光学透明天线近年来受到越来越多的关注，因为它们可以实现诸如透明显示器嵌入天线和隐藏基站等新功能。然而，现有的透明天线模型在频率偏移、低增益、低效率和可重构性方面存在不足。因此，开发一种兼具透明性和高性能的亚太赫兹天线成为亟待解决的问题。

论文来源

这篇论文题为《Graphene-based programmable dual dipole antenna with parasitic elements》，由意大利巴里理工大学电气与信息工程系的Sana Ullah、Ilaria Marasco、Antonella D’Orazio和Giovanni Magno共同撰写。该论文于2025年发表在《Optical and Quantum Electronics》期刊上，DOI为10.1007/s11082-025-08050-1。

研究详情

a) 研究流程

本研究设计了一种基于石墨烯的透明可编程双偶极天线，旨在实现亚太赫兹频段的波束成形。研究流程包括以下几个步骤：

  1. 天线设计
    天线采用聚酰亚胺基板，具有两个正交的石墨烯偶极子和八个扇形石墨烯寄生元件。通过调整石墨烯的化学势，可以改变天线的电流分布，从而形成不同的辐射模式（如单波束、双波束和四波束）。

    • 实验对象：天线结构的设计参数包括偶极子臂长（(l)）、宽度（(w)）、间隙（(g)）、寄生元件的内外半径（(r_i, r_o)）和角度宽度（(\theta)）。
    • 实验方法：使用CST Microwave Studio软件进行电磁仿真，并通过迭代优化确定最佳参数组合。
    • 创新点：利用共面侧栅技术调节石墨烯的化学势，实现动态切换。

  2. 参数优化
    研究团队对多个几何参数进行了系统优化，包括频率范围（180 GHz至220 GHz）、偶极子尺寸（(l = 135-160 \mu m, w = 15-35 \mu m)）、寄生元件的内外半径（(r_i = 220-260 \mu m, r_o = 600-680 \mu m)）和角度宽度（(\theta = 10^\circ-60^\circ)）。最终优化参数为：(r = 680 \mu m, r_i = 240 \mu m, r_o = 610 \mu m, l = 155 \mu m, w = 27 \mu m, g = 25 \mu m, h = 150 \mu m, \theta = 40^\circ)。

  3. 辐射模式分析
    研究团队通过改变编码模式（即激活特定的寄生元件），生成了多种辐射模式。具体包括单波束、双波束和四波束模式，并分析了每种模式的方向性、增益和带宽。

b) 主要结果

  1. 阻抗匹配与频谱响应
    研究表明，不同编码模式对天线的阻抗匹配和频谱响应影响较小。天线的-10 dB阻抗带宽范围为187 GHz至214 GHz，共振频率在196 GHz至203 GHz之间略有变化。

  2. 增益与效率
    在-10 dB阻抗带宽范围内，天线的增益范围为-1.2 dBi至2.3 dBi。对于单波束、双波束和四波束配置，最大实现增益分别为2 dBi、1.3 dBi和0.7 dBi。总效率超过27%，在阻抗匹配频率附近达到45%以上。

  3. 辐射模式的对称性
    研究发现，通过旋转或反射编码模式，可以实现辐射模式的灵活控制。例如，编码模式“h15”、“h35”和“h345”可以通过对称操作生成完整的360°波束扫描。

c) 结论与意义

本研究成功设计了一种基于石墨烯的透明双偶极天线，能够在亚太赫兹频段实现可编程波束成形。该天线的最大特点是其透明性和高性能，使其适用于室内通信、智能建筑、交通运输、柔性电子和可穿戴技术等领域。此外，该设计还展示了石墨烯在高频天线中的潜力，为未来的研究提供了重要参考。

d) 研究亮点

  1. 创新性设计：首次实现了在太赫兹频段内具有360°波束扫描能力的透明天线。
  2. 多功能性：通过动态调整石墨烯的化学势，实现单波束、双波束和四波束模式的切换。
  3. 高效性：优化后的天线在阻抗匹配频率下表现出高效率和高增益。
  4. 透明性：采用聚酰亚胺基板和石墨烯材料，确保天线的光学透明性。

e) 其他有价值的信息

研究团队指出，未来的工作将集中在探索更多的编码方案，以生成更复杂的辐射模式。此外，研究还将关注水平和垂直偶极子之间的干扰效应，以进一步扩展天线的功能。

总结

这篇论文提出了一种基于石墨烯的透明双偶极天线，解决了现有天线在透明性、可重构性和性能方面的不足。通过详细的参数优化和辐射模式分析，研究团队展示了该天线在亚太赫兹频段内的广泛应用潜力。这一研究成果不仅推动了透明天线技术的发展，还为未来的无线通信系统提供了新的解决方案。