[发明专利]一种使用石墨烯的轨道角动量微带天线

说明书

本发明公开了一种使用石墨烯的轨道角动量微带天线，包括介质基板，所述介质基板下表面设有接地金属层，所述介质基板上表面设有环形石墨烯层和金属贴片，所述金属贴片位于环形石墨烯层内侧，所述金属贴片上均匀布设4个馈电端口，所述馈电端口贯穿金属贴片、介质基板以及接地金属层。该天线质量轻、结构简单、加工容易且只需调整馈电相位差便能够产生稳定的模态数l＝‑2、0和+2的轨道角动量涡旋波，另外通过加入石墨烯材料，使性能更加优异。

技术领域

本发明属于轨道角动量天线技术领域，主要涉及一种使用石墨烯的轨道角动量微带天线。

背景技术

现今，移动互联网迅速成长，移动终端被广泛普及，频谱资源紧缺再次成为无线通信领域的一大难题。为攻克这一难题，提升系统容量主要有以下两个方法：(1)开发新的频谱资源。如：采用更高频率的电磁波通信。(2)采用新技术提高频谱利用率。如：5G移动通信系统采用的同频同时全双工以及大规模多输入多输出等先进技术。但这些手段仅利用了信号的极化、幅度、频率和相位这四个自由度来调制信息，这些都属于电磁波的线性自由度。

根据经典电磁理论，电磁波动量拥有线性动量和角动量两种，角动量又可分为自旋角动量(Spin Angular Momentum，SAM)和轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)。SAM与电磁波极化状态相关，主要表现为左旋圆极化、右旋圆极化和线极化；OAM与电磁波的空间相位分布有关。之后，人们发现基于轨道角动量的复用通信系统相对于传统系统有着正交性、高频谱利用率、高传输速率、多维性。学界已经通过实验证明了轨道角动量涡旋波的模态复用是一种全新的复用方式。因此，轨道角动量的发现为提高频谱利用率和系统容量提供了一个全新的解决方向。

石墨烯是由单层碳原子在同一平面内呈蜂窝状排列成的一种二维超材料，因为其优异的材料特性，被广泛应用在电磁等领域。其具有优异的电、热、力和光学性能，并且电导率可调。

随着轨道角动量的研究深入，产生轨道角动量的方式也越来越多，如使用天线阵列、反射面天线以及超表面天线，但是大多数轨道角动量天线存在结构复杂、加工精度要求高以及改变其模态的操作复杂等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种能够产生轨道角动量的石墨烯微带天线，该天线质量轻、结构简单、加工容易且只需调整馈电相位差便能够产生稳定的模态数l＝-2、0和+2的轨道角动量涡旋波，另外通过加入石墨烯材料，使性能更加优异。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种使用石墨烯的轨道角动量微带天线，所述天线包括介质基板，所述介质基板下表面设有接地金属层，所述介质基板上表面设有环形石墨烯层和金属贴片，所述金属贴片位于环形石墨烯层内侧，所述金属贴片上均匀布设4个馈电端口，所述馈电端口贯穿金属贴片、介质基板以及接地金属层。

进一步地，所述介质基板为圆形，半径为40mm，厚度为1mm。

进一步地，所述金属贴片为环形，内、外半径分别为6.8mm、16mm。

进一步地，所述石墨烯层的内、外半径分别为20mm、40mm。

进一步地，所述石墨烯层的石墨烯温度T＝300K，化学势μ_c＝0.9eV，弛豫时间τ＝1ps。

进一步地，所述4个馈电端口均为圆形，半径为1.5mm，每个所述馈电端口圆心到金属贴片圆心的距离e＝11.4mm。

进一步地，所述天线采用同轴馈电方式，对4个馈电端口连续相位差为90°或-90°馈电时，产生模态数l＝-2或+2的涡旋波；对任两个相对的馈电端口连续相位差180°馈电时，产生模态数l＝0的涡旋波。

进一步地，所述石墨烯层与金属贴片之间存在间隙。