石墨烯在太赫兹天线中的应用研究

发布时间：2017-03-20 07:12

  本文关键词：石墨烯在太赫兹天线中的应用研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：石墨烯具有优秀的导电性能,其在近年来也愈来愈受到广泛的关注,学术界对这种新材料研究热情也持续高涨不消。太赫兹相比于传统天线所在的微波毫米波频段独具很多优秀特性,它在雷达、通信、成像技术、生物医学、公共安全、电子对抗、无损检测等领域有着巨大的研究价值和广泛的应用前景,并将带来深远的影响。而石墨烯在太赫兹波段下相比于金属具备独特的优势,如利于阻抗匹配、电导率动态可调等特性。因而将石墨烯这种新材料应用于太赫兹天线中,能为缩小天线尺寸、实现天线辐射动态可控、改善天线性能带来相当长足的进步。本文研究了在太赫兹天线中以各种形式应用石墨烯为天线辐射特性带来的影响与改善,主要工作如下：1、介绍了太赫兹特性以及国内外基于石墨烯的太赫兹天线的研究进展和现状,阐述了天线的基本理论知识和石墨烯的电导率模型。2、研究了以石墨烯、石墨烯-金属复合介质层作为辐射体的微带贴片天线、偶极子天线、蝶形天线等太赫兹天线的性能表现。与纯金属天线性能对比分析后发现,石墨烯非常有助于天线实现阻抗匹配且动态可调,但会带来损耗导致辐射效率降低,而石墨烯-金属复合材料有效地综合了两者的优势,在保证了一定的辐射效率和增益的基础上能实现谐振频率的动态可调特性。研究了在偶极子天线和蝶形天线中的将石墨烯层铺设于辐射体下,石墨烯对天线能量辐射状态的开关效果。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,利用石墨烯作为蝶形天线的接地板可以使偶极子天线的开关状态发生变换。我们又将单个蝶形天线组成阵列,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。3、研究了将石墨烯与半导体介质的接触界面等效为电容在太赫兹天线中的应用。在理论上分析了引入石墨烯等效二极管电容天线的电路模型,并分别设计了工作频率在300GHz的基于石墨烯等效电容的贴片天线、蝶形偶极子天线和基于石墨烯等效电容阵列的光电导偶极子天线。经研究分析发现调节石墨烯等效电容特性对以上天线阻抗、谐振频率等性能的影响并不是单向连续的而是小范围内微调连续、大范围内跳跃式变化的规律。同时分析研究了引入四片石墨烯等效电容阵列后,不同调节方式对光电导偶极子天线及其阵列性能的影响。4、研究了通过调节单层石墨烯的电导率从低到高来实现的石墨烯贴片引向振子开关。并基于此分析了将单个石墨烯贴片作为引向振子、将三组石墨烯贴片连成一组作为引向振子和将三组石墨烯贴片阵列作为引向振子阵列引入天线中对天线S参数、增益尤其是波束方向的影响以及调控效果。由此,我们实现了在太赫兹波段的特定工作频率下,天线辐射波束方向及波束宽度的动态可调,调控范围达160。。进一步的我们还研究了石墨烯贴片阵列夹角和间距对引向效果的影响规律。同时,我们也设计了基于石墨烯反射贴片的波束可调天线,对于偶极子天线来说比蝶形天线实现了更好的调控效果。
【关键词】：石墨烯 太赫兹天线 贴片 电导率可调 等效电容 频率可调 波束扫描
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN822
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 1 绪论11-23
• 1.1 课题研究背景11-14
• 1.1.1 太赫兹特性11-12
• 1.1.2 石墨烯相关研究背景12-14
• 1.2 国内外研究现状14-21
• 1.3 本文主要工作21-23
• 2 基本理论研究23-35
• 2.1 天线理论基础23-31
• 2.1.1 天线的基本电参数23-25
• 2.1.2 两种常见天线的辐射机理25-31
• 2.2 石墨烯电导率模型31-33
• 2.3 本章小结33-35
• 3 以石墨烯为辐射体或衬底开关的太赫兹天线研究35-57
• 3.1 以石墨烯为辐射体的太赫兹天线36-48
• 3.2 以石墨烯为辐射体衬底开关的太赫兹天线48-56
• 3.3 本章小结56-57
• 4 基于石墨烯等效电容的太赫兹天线研究57-81
• 4.1 基于石墨烯等效电容的太赫兹天线等效电路模型57-58
• 4.2 基于石墨烯等效电容的太赫兹贴片天线研究58-65
• 4.3 基于石墨烯等效电容的太赫兹蝶形天线研究65-69
• 4.4 基于石墨烯等效电容阵列的太赫兹光电导偶极子天线研究69-78
• 4.5 基于石墨烯等效电容阵列的太赫兹光电导偶极子双单元阵列天线研究78-80
• 4.6 本章小结80-81
• 5 基于石墨烯的波束方向可调太赫兹天线研究81-95
• 5.1 基于单个石墨烯引向振子波束可调的太赫兹贴片天线81-84
• 5.2 基于石墨烯贴片阵列引向振子的波束可调太赫兹贴片天线84-87
• 5.3 基于三组石墨烯贴片阵列的波束可调太赫兹天线87-92
• 5.4 基于石墨烯反射振子的波束可调太赫兹天线92-94
• 5.5 本章小结94-95
• 6 总结与展望95-97
• 参考文献97-101
• 作者简介101

【参考文献】

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1 许莹莹;基于石墨烯器件和大带宽频率选择表面的研究[D];浙江大学;2014年

  本文关键词：石墨烯在太赫兹天线中的应用研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：257387