1.本发明属于毫米波/太赫兹阵列天线技术领域，具体涉及一种基于石墨烯的太赫兹智能超表面天线单元，该天线单元能够工作在毫米波高频段和太赫兹频段。
背景技术：2.智能超表面天线作为一种高增益波束扫描天线，集成了空间馈电与相位调制技术，通过对每个超表面单元状态的精确调控，来控制天线的波束指向。智能超表面天线同时具备高增益与波束实时可控的特性，能够解决毫米波/太赫兹频段电磁波空间传输损耗大，导致系统作用距离受限以及波束实时对准的问题。在新一代毫米波/太赫兹卫星通信、移动通信、雷达探测与成像等领域具有广泛的应用价值。
3.现有技术的超表面天线在微波和毫米波低频段，普遍采用将pin开关或变容二极管集成在超表面单元中的方式，实现单元相位调控。但是这样调控方式在毫米波高频段和太赫兹频段非常难以实现，其原因体现在以下两点：
4.1、pin开关或变容二极管等这类有源元件的尺寸通常都是毫米级的，由于尺寸限制，难以应用在毫米波高频段和太赫兹(微米及纳米级)的超表面单元中。
5.2、由于开关结电容的存在，当工作频率提升至毫米波高频段以及太赫兹频段时，开关容抗小到使pn结短路，导致开关失去单向导电性，降低超表面单元的相位调控范围，无法满足超表面天线对单元最小相位调控范围(180
°
)的要求。
技术实现要素：6.本发明的目的在于提供一种基于石墨烯的太赫兹智能超表面天线单元，以解决现有超表面天线单元的相位调控方式无法适用于毫米波高频段和太赫兹频段的问题。
7.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.一种基于石墨烯的太赫兹智能超表面天线单元，包括介质基板、位于介质基板下方的条带状金属结构以及位于介质基板上方的金属图案层；
9.所述条带状金属结构由n个金属条带组成，n个金属条带平行间隔排列；
10.所述金属图案层中设有一个贯穿金属图案层的圆环缝隙，该圆环缝隙上设有第一石墨烯结构和第二石墨烯结构，两个石墨烯结构均跨接于圆环缝隙两端金属上，且第一石墨烯结构中心点和第二石墨烯结构中心点与圆环缝隙的圆心连线的夹角α应满足20
°
≤α≤120
°
。
11.进一步的，上述基于石墨烯的智能超表面单元的在x方向和y方向的长度相等，取值为工作波长的0.2～0.6倍。
12.进一步的，所述介质基板材料为石英或蓝宝石，金属条带的材料为金，金属图案层材料为金。
13.进一步的，所述条带状金属结构的长度与基于石墨烯的智能超表面单元的长度相等；其内各金属条带尺寸相同，且各金属条带宽度整个单元边长的1/8～1/6；排列时，沿金
属条带宽边等间距排列。
14.进一步的，所述n的取值范围为3≤n≤5。
15.进一步的，所述石墨烯结构为单层或多层石墨烯结构。
16.进一步的，所述介质基板在z方向的尺寸为100um～400um，条带状金属结构的厚度为100nm，金属图案层厚度100nm；圆环缝隙内半径65um～265um，外半径75um～315um；第一石墨烯结构和第二石墨烯结构、尺寸均相同，其长度均为50um～160um，宽度均为10um～90um。
17.本发明提供的一种的智能超表面单元，是利用石墨烯材料的电阻率随外加偏置电压变化的特性，在金属图案层中的圆环缝隙上设置两个石墨烯结构，并对两个石墨烯结构之间的位置进行限制，以使工作时金属图案层中的电流呈镜像分布，实现在毫米波高频段和太赫兹频段的相位调控，并进一步实现了毫米波高频段和太赫兹频段智能超表面单元透射相位180
°
可重构。
18.与现有技术相比，本发明无需集成pin开关或变容二极管，在毫米波高频段和太赫兹频段具备更好的工作特性。
附图说明
19.图1为实施例1的结构示意图，其中a为侧视图，b为俯视图，c为底视图；
20.图2为实施例1透射系数随频率变化曲线图；
21.图3为实施例1透射相位随频率变化曲线图；
22.图4为实施例2的结构示意图，其中a为侧视图，b为俯视图，c为底视图；
23.图5为实施例2透射系数随频率变化曲线图；
24.图6为实施例2透射相位随频率变化曲线图；
25.附图标记：
26.1、介质基板，2～6、金属条带，7、金属图案层，8 第一石墨烯结构，9、第二石墨烯结构。
27.实施方式
28.下面结合附图和实施例，以中心频率95ghz和中心频率300ghz的两种智能超表面天线单元为例对本发明的技术方案进行描述。需要说明的是：介质基板长度是指其在x方向上的长度，宽度是指其在y方向上的长度，高度是指其在z方向上的长度。金属条带长度是指其在y方向上的长度，宽度是指其在x方向上的长度，厚度是指其在z方向上的长度。
29.本发明提供的一种基于石墨烯的太赫兹智能超表面天线单元，包括介质基板、位于介质基板下方的条带状金属结构以及位于介质基板上方的金属图案层。所述条带状金属结构由n个金属条带组成，n个金属条带平行间隔排列，其中n的取值范围为3≤n≤5。所述金属图案层中设有一个贯穿金属图案层的圆环缝隙，该圆环缝隙上设有第一石墨烯结构和第二石墨烯结构，两个石墨烯结构均跨接于圆环缝隙两端金属上，且第一石墨烯结构中心点和第二石墨烯结构中心点分别与圆环缝隙的圆心连线的夹角α应满足20
°
≤α≤120
°
。
30.使用时，从智能超表面单元底部入射的电磁波，由单元的金属条带状结构接收并传输至介质基板上层的金属图案层，金属图案层利用两个石墨烯材料结构，通过两组外加电压分别控制石墨烯的电导率，控制电磁波在上层金属图案层的传输路径，从而控制透射
电磁波的相位。
31.其中，石墨烯材料的工作原理具体为：
32.石墨烯面电导率σs由和构成，表示为
[0033][0034]
其中，为石墨烯的电子带内跃迁贡献的电导率，为石墨稀的电子带间跃迁贡献的电导率。和可以由kubo公式得到，
[0035][0036][0037]
其中，e为元电荷电量，为约化的普朗克常量，ω为电磁波角频率，γ为载流子散射率，τ为石墨烯弛豫时间，kb为玻尔兹曼常数，μc为石墨烯的化学势，t为温度。通过施加外部电压，改变石墨烯上电子浓度，控制石墨烯的化学势μc，进而控制石墨烯的表面阻抗，可以实现智能超表面单元的相位调控。
[0038]
以下为实施例
[0039]
实施例1
[0040]
参阅图1，本实施例提供的一种基于石墨烯的太赫兹智能超表面天线单元，包括介质基板1、位于介质基板下方的条带状金属结构以及位于介质基板上方的金属图案层7。
[0041]
介质基板1材料为石英，形状为正方形，边长700um，厚度为300μm。
[0042]
所述条带状金属结构由金属条带2～6组成，各金属条平行间隔排列。各金属条带形状为矩形，长700um，宽110um，厚度为100nm，相邻两金属条带中心沿x轴间距140um。
[0043]
所述上层金属图案层7材料为金，形状为正方形，边长700um，厚度100nm，金属图案层中心刻蚀有一个贯穿的圆环缝隙，该圆环缝隙的内半径255um，外半径305um。该圆环缝隙上设有第一石墨烯结构和第二石墨烯结构，两个石墨烯结构均跨接于圆环缝隙两端金属上。两个墨烯结构和尺寸均相同，本实施例中选用单层石墨烯，其形状都选用矩形。长均为150um，宽均为90um。为保证两个石墨烯结构在不同工作状态时，金属图层电流的呈镜像分布，优选第一石墨烯结构中心点和第二石墨烯结构中心点分别与圆环缝隙的圆心连线的夹角α为60
°
。
[0044]
选定95ghz作为本实施例的智能超表面天线单元中心工作频率，验证其效果。
[0045]
参阅图2可知，本实施中结构在2个石墨烯材料不同电势状态下的单元透射幅度近似相同，在中心频率95ghz，透射系数-4.4db，1db带宽21％(82.2ghz-101.5ghz)。
[0046]
参阅图3可知，本实施中结构在2个石墨烯材料不同电势状态下单元透射相位，在1db幅度波动带宽内相差183
°±
0.4
°
。
[0047]
实施例2
[0048]
参阅图4，本实施例提供的一种基于石墨烯的太赫兹智能超表面天线单元，包括介质基板1、位于介质基板下方的条带状金属结构以及位于介质基板上方的金属图案层7。
[0049]
所述介质基板10材料为石英，形状为正方形，边长230um，厚度为100μm。
[0050]
所述条带状金属结构由金属条带2～4组成，各金属条平行间隔排列。各金属条带形状为矩形，长230um，宽35um，厚度为100nm，相邻两金属条带中心沿x轴间距76.6um。
[0051]
所述上层金属图案层7材料为金，形状为正方形，边长230um，厚度100nm，金属图案层中心刻蚀有一个贯穿的圆环缝隙，该圆环缝隙的内半径75um，外半径90um。该圆环缝隙上设有第一石墨烯结构和第二石墨烯结构，两个石墨烯结构均跨接于圆环缝隙两端金属上。两个墨烯结构和尺寸均相同，本实施例中选用单层石墨烯，其形状都选用矩形，长均为55um，宽均为30um。
[0052]
为使该结构获得最优控制效果，本实施例第一石墨烯结构中心点和第二石墨烯结构中心点分别与圆环缝隙的圆心连线的夹角α为90
°
。
[0053]
选定300ghz作为本实施例的智能超表面天线单元中心工作频率，验证其效果。
[0054]
参阅图5可知，在2个石墨烯材料不同电势状态下的单元透射幅度近似相同，在中心频率300ghz，透射系数-4.7db，在280ghz-320ghz频段范围内，透射系数波动小于0.3db。
[0055]
参阅图6可知，为实施例2的智能超表面天线单元透射相位随频率变化曲线。由图3可知，在280ghz-320ghz频段范围内，在2个石墨烯材料不同电势状态下的单元透射相位相差180
°
+0.4
°
。
[0056]
综上可见，本发明提供的一种基于石墨烯的太赫兹智能超表面天线单元，利用石墨烯材料表面阻抗随电势变化的特性，通过两个石墨烯结构配合金属图案层和圆环缝隙，实现中心频率95ghz～300ghz频带范围内实现了毫米波高频段和太赫兹频段智能超表面单元透射相位180
°
可重构。
[0057]
以上实例仅为方便说明本发明，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化均应视为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种基于石墨烯的太赫兹智能超表面天线单元，包括介质基板、位于介质基板下方的条带状金属结构以及位于介质基板上方的金属图案层，其特征在于：所述条带状金属结构由n个金属条带组成，n个金属条带平行间隔排列；所述金属图案层中设有一个贯穿金属图案层的圆环缝隙，该圆环缝隙上设有第一石墨烯结构和第二石墨烯结构，两个石墨烯结构均跨接于圆环缝隙两端金属上，且第一石墨烯结构中心点和第二石墨烯结构中心点与圆环缝隙的圆心连线的夹角α应满足20
°
≤α≤120
°
。2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的智能超表面天线单元，其特征在于：所述石墨烯的智能超表面单元的在x轴方向和y轴方向的尺寸相等，取值为工作波长的0.2～0.6倍。3.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的太赫兹智能超表面天线单元，其特征在于：所述介质基板材料为石英或蓝宝石，金属条带的材料为金，金属图案层材料为金。4.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的太赫兹智能超表面天线单元，其特征在于：所述条带状金属结构的长度与基于石墨烯的智能超表面单元的长度相等；其内各金属条带尺寸相同，且各金属条带宽度整个单元边长的1/8～1/6；排列时，沿金属条带宽边等间距排列。5.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的太赫兹智能超表面天线单元，其特征在于：所述n的取值范围为3≤n≤5。6.根据权利要求1～5任一项所述的一种基于石墨烯的太赫兹智能超表面天线单元，其特征在于：所述石墨烯结构为单层或多层石墨烯结构。7.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的太赫兹智能超表面天线单元，其特征在于：所述介质基板在z轴方向的尺寸为100um～400um，条带状金属结构的厚度为100nm，金属图案层厚度100nm；圆环缝隙内半径65um～265um，外半径75um～315um；第一石墨烯结构和第二石墨烯结构、尺寸均相同，其长度均为50um～160um，宽度均为10um～90um。
技术总结本发明公开了一种基于石墨烯的太赫兹智能超表面天线单元，属于毫米波/太赫兹阵列天线技术领域。该智能超表面天线单元包括介质基板、位于介质基板下方的金属条带状结构以及位于介质基板上方的金属图案层。所述金属图案层中设有一个贯穿的圆环缝隙，该圆环缝隙上设有第一石墨烯结构和第二石墨烯结构，两个石墨烯结构均跨接于圆环缝隙两端金属上，且第一石墨烯结构中心点和第二石墨烯结构中心点与圆环缝隙的圆心连线的夹角α应满足20
技术研发人员：姜昊 张健 张鲁明 杨帆 陈飞良 李沫
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2022.07.20
技术公布日：2022/11/1
