一种基于石墨烯超表面的平面波到球面波相控阵芯片

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别涉及一种基于石墨烯超表面的平面波到球面波相控阵芯片。

背景技术

近年来，随着的无线通信技术的飞速发展，人们对器件的性能和尺寸要求也越来越高。电磁超表面是一种由周期性或者非周期性的亚波长单元结构排列而成的二维平面阵列，具有天然材料所不具备的超常物理性质。电磁超表面是一种二维结构的电磁材料，其相对轻薄，具有体积小、结构简单等特点，可以对电磁波的幅度、相位、偏振状态进行灵活的控制(Xiangang,L.Priciples of Electromagnetic Waves in Metasurface[J].ScienceChina,2015,58(9):594201)，被广泛用于不规则反射或折射、反射阵天线和极化转换器等方面。

石墨烯是由单层碳原子构成的新型超表面，具有独特的光学特性。与贵金属等材料相比，石墨烯具有更低的传输损耗和更强的电磁控制能力(Grigorenko,A.N.；Polini,M.；Novoselov,K.S.Graphene Plasmonics[J].Nature Photonic,2012,6(11):749-758.)。同时，石墨烯的化学势可以通过化学掺杂以及外加静电电压进行调控，进而改变石墨烯的表面电导率，可以灵活地调控电磁波的波束形状、传输路径和极化方向，实现对器件性能的调节(Sudipta,R.B.；Cristian,E.G.；Andrei,N.；In-Ho,L.；Sang-Hyun,O.；Phaedon,A.；Tony,L.Tunable Graphene Metasurface Reflectarray for Cloaking,Illusion,andFocusing[J].Physical Review Applied,2018,9(3):034021)。传统的波形转化阵列大多是使用金属单元作为单元结构，往往需要较为复杂的馈电网络，使得成本变高、结构尺寸变得更为复杂，而且还具有较大的材料损耗。通过设计石墨烯超表面的形状等几何特性，可以在中红外频段内将平面电磁波转化为球面波，且结构简单，工作频带宽，更有利于集成化。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于石墨烯超表面的平面波到球面波相控阵芯片，用于解决现有技术存在的损耗过大和带宽较窄的技术问题。

本发明采用如下技术方案：

一种基于石墨烯超表面的平面波到球面波相控阵芯片，包括反射型超表面相控阵；所述反射型超表面相控阵包括M×M个周期性排列的石墨烯超表面单元，M≥20；所述石墨烯超表面单元包括上表面呈圆形结构的石墨烯贴片和下方介质基板。

优选的，所述石墨烯贴片为圆形结构，其半径R的范围在0.05微米和0.5微米之间。

优选的，所述下方介质基板为Rogers RO4003材料，且下方介质基板的横剖面为正方形，其边长p为1微米，厚度h为0.6微米。

优选的，所述石墨烯贴片与下方介质基板之间没有空隙。

优选的，所述石墨烯贴片与下方介质基板的几何中心在一条直线上。

优选的，所述反射型超表面相控阵在50THz到60THz的频率范围内均能将平面波转化为球面波。

优选的，平面波转化至球面波时每一个位置处的石墨烯超表面单元所需要的补偿相位如下述补偿公式：

其中，x和y分别表示所述石墨烯超表面单元的横坐标和纵坐标；M表示周期单元的个数；λ

优选的，所述周期性排列的石墨烯超表面单元的横剖面构成矩形、圆形或其他多边形结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)本发明的反射型超表面相控阵可以工作在中红外频段，且带宽可以覆盖50THz到60THz的频率范围；

(2)本发明的反射型超表面相控阵可以实现空间平面电磁波到球面波的完美转化，且阵列结构具有平面化、易加工、集成化等优点；

(3)本发明的反射型超表面相控阵具有较大的调相范围，在50THz至60THz的频率范围内，均能实现0°到360°的相位变化。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚地了解本发明的技术手段，从而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下列举本发明的具体实施方式。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述及其他目的、优点和特征。

附图说明

图1是本实施例的基于石墨烯超表面的平面波到球面波相控阵芯片的立体结构示意图；

图2是本实施例的石墨烯超表面单元的立体结构示意图；

图3是本实施例的石墨烯超表面单元的反射相位分布图；

图4是本实施例的反射型超表面相控阵在50THz到60THz时的反射电场相位图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步的详细描述。

参见图1所示，为本实施例的基于石墨烯超表面的平面波到球面波相控阵芯片的立体结构示意图，所述基于石墨烯超表面的平面波到球面波相控阵芯片包括M×M个石墨烯超表面单元1，本具体实施例中M＝50，每一个石墨烯超表面单元1之间相互无缝隙的排列构成一个长方体结构的反射型超表面相控阵2，该反射型超表面相控阵2的表面大小为50微米×50微米。

参见图2所示，为单个石墨烯超表面单元1的立体结构示意图，其包括上表面形状为圆形的石墨烯贴片11和下方横剖面为正方形的介质基板12。在本实施例中，石墨烯圆形贴片11的半径R的变化范围在0.05微米和0.5微米之间(M×M个石墨烯超表面单元1中，其对应的石墨烯圆形贴片的半径可不相同，但介质基板12的尺寸相同)。介质基板12使用的是介电常数为3.55的Rogers RO4003材料，且介质基板12的横剖面为正方形，其边长p为1微米，厚度h为0.6微米。在本实施例中，石墨烯贴片11与介质基板12之间没有空隙，且石墨烯贴片11和介质基板12的几何中心在一条直线上。

本发明提出的一种基于石墨烯超表面的平面波到球面波相控阵芯片，它是由50×50个石墨烯超表面单元1构成。通过相位补偿公式

以下结合仿真实验，对本发明技术效果做进一步说明。

1、仿真条件和内容：

设置仿真频率区间为50THz到60THz,石墨烯的驰豫时间为1ps,使用商业仿真软件HFSS_19.0对上述具体实施例进行：

仿真1，在工作频率为50THz、54THz、60THz时，通过改变石墨烯贴片的半径和石墨烯贴片的化学势，对本实施例中石墨烯超表面单元的反射相位响应进行仿真，参见图3所示；

仿真2，设置入射波为平面电磁波，分别在工作频率为50THz、52THz、54THz、56THz、58THz、60THz下，对本实施例中基于石墨烯超表面的平面波到球面波相控阵芯片的反射波电场相位进行仿真，参见图4所示。

2、仿真测量结果分析：

参见图3所示，显示了当工作频率分别为50THz、54THz、60THz时，石墨烯超表面单元的反射相位关于石墨烯贴片半径以及石墨烯化学势之间的关系。在50THz时，当石墨烯贴片的半径从0.05微米增加至0.5微米时，分别令石墨烯的化学势为0.831eV和0.106eV，可以使反射相位从0°到360°的范围内变化；在54THz时，分别令石墨烯的化学势为0.83eV和0.114eV，也可以使反射相位从0°到360°的范围内变化；在60THz时，分别令石墨烯的化学势为0.832eV和0.125eV，同样使得反射相位从0°到360°的范围内变化。经过仿真结果的验证，证实了在50THz到60THz频率范围内，均可以使石墨烯超表面的反射相位发生0°到360°的变化，这与本发明提出的基于石墨烯超表面的平面波到球面波相控阵芯片的理论保持一致。

参见图4所示，显示了工作频率为50THz、52THz、54THz、56THz、58THz、60THz下反射型超表面相控阵的反射电场相位分布图，采样平面设置在相控阵上方距工作平面24微米处，反射电场相位分布图显示出良好的球面波特性。仿真结果表明，在50THz到60THz的宽频范围内，超表面相控阵可以将入射平面电磁波转化为反射球面波，满足现代通信对带宽的要求。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。