文摘
proximity-coupled石墨烯patch-based全双工的天线提出了太赫兹(太赫兹)的应用程序。天线提供了一个10 dB阻抗带宽的6.06%(1.76−1.87太赫兹)。输入端口的设计相互隔绝−25分贝。石墨烯的宽高比辐射贴片天线的物理参数是选择获得单模操作。石墨烯的尺寸(长度和宽度)提出了天线的选择在两个高阶正交模式,而这些模式本质上仍然孤立。石墨烯材料的利用率提供了灵活的调整天线的回应。石墨烯片展品良好的电导率,电导率可控性,和等离子体特性。石墨烯比金属同行天线表现得更好,尤其是在太赫兹频率范围。石墨烯材料的辐射特性更加突出是由于no-ohmic损失。此外,其化学势可能通过改变其表面电导率的偏压,修改石墨烯的表面阻抗值。 Therefore, with a small footprint, graphene acts as an excellent radiator at extremely high frequencies.
1。介绍
由于高速数据通信的进步,太赫兹(太赫兹)组件已经调查了现在和未来通过创新的过程和技术。天线在太赫兹频率范围(0.1 - 10太赫兹)都进行了广泛的调查和设计为不同的应用程序。扩大紧凑收发子系统数据传输的低功率以超快的速度和superbroad bandwidth-like特性是可取的未来一代通信(1- - - - - -6]。微波和毫米波通信系统收发机系统中使用金属天线/散热器。然而,他们显示可怜的电导率在更高的频率或太赫兹范围7- - - - - -9]。因此,应发现金属散热器的替代在太赫兹频率不同的设备操作。载波频率切换到太赫兹波段是自然满足下一代需求的替代品,即。、高速数据通信(10- - - - - -12]。然而,低频天线系统相比,太赫兹天线有特定的特征,包括更高的传输路径损耗和额外的分子损失吸收的辐射能量(13]。近年来,为了解决这一问题,许多策略。已经提出高度定向天线来克服路径损耗问题,提高信道容量(14]。另一方面,传统的无线电频率(RF)和光学收发器有很多缺点,比如他们的庞大规模,设计复杂性和能源消耗(15,16]。这些约束促使研究人员调查小说为下一代电子除了硅纳米材料为基础。石墨烯是一种最有前途的替代品(17- - - - - -26]。
石墨烯具有良好的导电性,电导率可控性,和等离子体特性。石墨烯是集成到天线系统,它表明改进的辐射特性比典型的金属天线以极高的频率。这是由于其良好的导电性和化学势可能通过改变其表面电导率的偏置电压,而不同石墨烯的表面阻抗的值。此外,它的电导率可以调整生产中通过掺杂或通过外部静电电压(直流(DC)14,27- - - - - -29日]。最近,一些石墨烯天线设计为不同的应用程序已报告。石墨烯天线被报道的超短脉冲通信和生物传感范围(30.,31日),分别。石墨烯材料在电浆的实现天线加载(32]。数学模型计算了石墨烯平面天线与三角形散热器(33]。随着移动通信的发展到第五代,提供高速数据率和减少延迟,multi-input-multioutput天线(MIMO)系统进行调查。各种MIMO天线在微波,毫米波(mmWave),和太赫兹频率范围被报道在26,34- - - - - -36]。
还需要一个全双工天线系统来处理实际的无线通信连接。一般来说,一个全双工的天线系统由两个不可或缺的组件,即。、双工器和天线。传统上,他们是独立设计和集成的帮助下一个合适的输电线路。然而,将这些组件增加了系统并发症在有限的空间,导致巨大的能耗由于大量的射频链。此外,这样的配置增加了复杂性和不太有利的阵列扩展。因此,self-duplex天线的概念介绍了最近的研究(37- - - - - -43]。这些天线允许一个更简单的解决方案来提高双向通信系统的性能。太赫兹天线的主要关心的是他们的低增益和辐射效率。这个执行探索一种合适的方法来实现太赫兹天线和双工(过滤)的功能。作者的知识,没有工作报告全双工设计的太赫兹通信范围。在这里,一个石墨烯全双工介绍了太赫兹通信天线。一个石墨烯片兴奋的帮助下proximity-coupled两口的进给机构。平面设计维护简单配置的饲养技术。石墨烯已经证明能力具有良好的辐射特性,由于缺乏欧姆损失和表面波。这些有吸引力的石墨烯的特性使它成为一个优先选择金属天线,特别是在太赫兹频率范围。
传统的体系结构的差异和self-duplex天线双频操作如图1。双天线是射频组件支持的分离或结合两个频率频道(乐队)和允许他们操作单个天线模块。双天线低频和高频提供港口。这个想法可以进一步扩展N -频率与N -输入端口。在这里,N是频率通道的数量。
2。石墨烯全双工天线模型
提出了石墨烯self-duplex天线的几何视图如图2。该配置包含两个基板的分层结构与proximity-coupled喂养系统。使用二氧化硅介质衬底介电常数为3.8。高度的衬底(h1)是被完美的电导体(压电陶瓷)。另一个substrate-2高度(h2)是放在上面。PEC-based 50Ω微带饲料线夹在这两个硅介质基板。石墨烯材料的薄膜抛光介质substrate-2的顶层。石墨烯薄膜的厚度是最佳选为0.001毫米。这部电影激动时充当散热器proximity-coupled喂养。实现全双工功能,使用正交喂养系统。提出设计的宽高比是维护在这样一种方式,微带馈电激发正交高阶模式。此外,相对应的共振频率兴奋饲料可以控制通过改变相应的矩形贴片的尺寸。阻抗匹配特性的补丁可以优化通过改变微带线的长度。此外,补丁可以通过改变调谐的谐振微带线的长度,因为它控制耦合能量的大小与石墨烯片。
石墨烯片是采用建模机制解释(25]。石墨烯层的参数,包括其厚度(t)和弛豫时间(τ),是选择的天线可以意识到身体。这些参数指定,这样一个合适的积极价值所需的外部静电直流电压调整化学势(μc)和表面导电率(σg)的石墨烯材料。在天线结构中,植入金属栅极层顶部的石墨烯片应用直流电压门。金属栅层的长度和宽度都等于石墨烯片,使其费米能级能够保持一致时,外部电压偏置。石墨烯的表面电导率随弧度频率(ω),散射率(Γ= 1 /τ)、温度(T),应用静磁偏置场(Bo)μc .化学势是一个函数的应用静电场(Eo)。久保的形式报告σg是一个组合的大厅和斜导25]。大厅的导电性石墨烯成为零波= 0,按照(6]。因此,σg只是由于Eo,通常称为对角电导率。石墨烯的斜导带间的的构成和intraband转换(1- - - - - -4]。因此,σg只是由于intraband贡献的操作频带两口的天线设计。
3所示。工作原理和结果分析
建议的尺寸设计提供了表1。贴片天线的长度和宽度优化以这样一种方式的天线提供了两种截然不同的频段同时发送和接收通道操作太赫兹频率的频率范围的应用程序。
最后,优化设计运行在一个较低的频段约1.8太赫兹和更高的频带约2.0太赫兹的频率。此外,天线的优化反应可能通过改变石墨烯材料的化学势,在中科多工作站系统功能可用。图3显示了电场分布在操作频率在端口1和端口2。它可以清楚地证明,天线在高阶模式。如图3(一个),显示了三个半波的电场变化以及石墨烯片的长度。另一方面,它提供了两个端口2时半波的变化。可以看出事件字段是通过适当的孔径辐射而不被传播到另一个港口。因此,输入端口隔离增强和维护。最后,优化设计参数如表所示1。较低的共振频率发生在1.83太赫兹和生成端口1兴奋时,天线辐射和更广泛的矩形的石墨烯片。同样,从端口2上共振频率的共振是产生兴奋时沿着狭窄的矩形的石墨烯片。选择散热片的长度要大于共振频率引导波长的一半,所以它显示功能在高阶模式对应端口1和端口2。
(一)
(b)
该设计的频率响应的参数如图4。设计表明,能量的耦合端口1和端口2亦然低于−20分贝。同样的可以从图中推断出来3每个通道的共振频率可以调整,而不影响其他频道通过维持相同级别的端口隔离。同时,在不同的高阶模式。3 d远场辐射模式共振频率图所示5。提出的设计显示了单向辐射模式由于底部的大的地平面。峰值方向性天线的侧向方向是指出2.44和2.79在1.83和2.06太赫兹dBi,分别。此外,提出了太赫兹设计结构紧凑和简单的设计过程,这将使它为即将到来的通信系统具有吸引力的选择。建议使用一个设备的设计提供了灵活性和板布局覆盖双频乐队和替代传统的设计机制。
(一)
(b)
3.1。太赫兹技术的应用前景
电磁波谱的太赫兹范围日益被广泛应用于众多的领域实用目的,和研究的使用太赫兹技术在通信、雷达、成像、传感器和其他领域近年来报道。需要一个宽的带宽促使研究太赫兹频率谱和太赫兹通信组件。太赫兹辐射(太赫兹)收到越来越多的关注,其在科学技术和各种各样的应用程序,包括信息和通信技术(ICT)等领域,无损传感和成像,强耦合件轻松事,物理学和生物学。
4所示。结论
端口双工proximity-coupled石墨烯patch-based天线同时发送和接收通道操作的实现太赫兹频率的频率范围的应用程序。天线的物理参数可以选择所需的操作频率。操作频率设有一个小的频率比,同样可以进一步操作。天线保持输入端口之间的隔离比20 dB有助于实现双工功能和辐射特性为一个单一的单位。建议使用一个设备的设计提供了灵活性和板布局覆盖双频乐队和替代传统的设计机制。该设计具有一个整体紧凑的足迹,这使得这个设计非常有用的应用程序在即将到来的无线通信系统。
数据可用性
没有数据被用来支持本研究的发现。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。