[发明专利]一种基于石墨烯材料的Fabry-Perot谐振高增益天线

说明书

本发明提供了一种基于石墨烯材料的Fabry‑Perot谐振高增益天线，可用于增强天线的增益，并且天线谐振频率可以调节，可覆盖频段主要在太赫兹频段。天线体积大小为500μm×500μm×50μm。所发明天线主要由矩形波导、金属反射面、介质、单层石墨烯组成。该天线具有结构简单、高增益、Fabry‑Perot谐振腔工作频率可调等优点。

技术领域

本发明涉及的是一种基于石墨烯材料的Fabry-Perot谐振高增益天线，具体是一种在矩形波导口上方添加石墨烯介质覆层，Fabry-Perot谐振腔工作频率会随石墨烯所加偏压改变。

背景技术

石墨烯是有碳原子构成的只有一层原子厚度的二维晶体，作为一种具有优异晶体品质和电子性质的二维材料，石墨烯表现出独特的电子输运、光学耦合、电磁学和其他新奇的性质。在太赫兹频段天线领域，石墨烯表现出损耗较低，表面电导率随外加电场和磁场可调等优点，有巨大的应用前景。在频率小于10THz时，石墨烯的表面电导率为

其中为约化普朗克常量，T＝300K为室温，k_B＝1.38×10^-23为玻尔兹曼常数，q＝1.6×10^-19C位为电子电荷量，ω为角频率，μ_c为石墨烯化学势，π＝3.14为圆周率。

关于Fabry-Perot谐振天线已经有人研究，通过对现有技术检索发现期刊Journalof Electromagnetic Waves and Applications上发表的一篇关于Fabry-Perot谐振天线的文章：Ultra-low profile high-gain Fabry-Perot resonant antennas with Fishnetsuperstrate。文中介绍了一种工作在11GHz左右时高增益天线，文中天线类型为微带天线，天线上方覆层采用了十字形金属和介质共同构成的EBG结构。由于Fabry-Perot谐振结构需要满足特性的相位条件，传统的金属介质覆层可以有效增加增益的频率范围比较窄。天线只能工作在特定的频率点。

Fabry-Perot谐振腔由两个相距为h的反射面1和反射面2组成，反射面1在下方，反射面2在上方。反射面1反射系数为φ1，反射面2反射系数为φ2。假设原天线方向图为f(θ)，电场强度为E₀，则第n次透射波为：

φ是相邻两束投射波之间的相位差，是由电磁波多次反射与透射所导致，与两个反射面反射相位和之间的距离h有关，

所有的透射电磁波相叠加为

为了满足天线前向增益增加，即θ＝0°时增益变强，相位差φ应满足：

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种石墨烯Fabry-Perot谐振高增益天线。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种石墨烯Fabry-Perot谐振高增益天线，其包括矩形波导、金属反射面、介质和石墨烯层，所述石墨烯层和金属反射面分别设置于介质的上表面和下表面，所述矩形波导设置于金属反射面的下表面。

作为优选方案，所述矩形波导呈长方体型，矩形波导的下底面具有馈源端口。

作为优选方案，所述馈源端口连接有外部激励。

作为优选方案，所述石墨烯层的材料为单层石墨烯，石墨烯的化学势随外加电压改变而改变，石墨烯完全平铺在介质上方，形状与下方介质相同。

作为优选方案，所述介质呈长方体型，介质材料为二氧化硅，相对介电常数为3.8。