石墨烯材料在天線方向圖重構(gòu)實驗教學(xué)中的應(yīng)用

卞立安 劉雨 李丹琳 黃楷程 游燕 崔立勇

摘? 要：本文提出了將石墨烯材料引入到微帶—八木天線上重構(gòu)天線輻射方向圖的實驗教學(xué)構(gòu)想。金屬微帶—八木天線由一個輻射單元和三個引向單元組成，而石墨烯被設(shè)計成圓環(huán)結(jié)構(gòu)加載到引向單元上。利用CST軟件仿真發(fā)現(xiàn)：調(diào)節(jié)石墨烯化學(xué)勢能夠改變引向單元的等效面積，進而改變天線的輻射方向;截斷天線底部金屬板可大幅增加波束指向的動態(tài)范圍。通過該實驗，說明微帶—八木天線輻射方向與引向器的面積、底部金屬板長度直接相關(guān)，加深了學(xué)生對方向圖影響因素的認(rèn)知。科學(xué)研究熱點材料石墨烯的引入使得天線方向圖不再“靜止”，這不但提高了天線實驗課程的趣味性，而且增強了學(xué)生對科學(xué)研究的探索欲望。

關(guān)鍵詞：微帶—八木天線? 石墨烯材料? 方向圖重構(gòu)? 實驗教學(xué)

中圖分類號：TN820;G642.? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）11（c）-0199-04

Application of Graphene Material in Antenna Pattern Reconstruction Experiment Teaching

BIAN Li'an? LIU Yu? LI Danlin? HUANG Kaicheng? YOU Yan? CUI Liyong

（School of Physical and Electronic Science， Changsha University of Science and Technology，

Changsha， Hunan Province， 410114 China）

Abstract： An experimental teaching idea of reconstructing the radiation pattern of antenna is proposed by introducing the graphene material into the microstrip-Yagi antenna. This antenna consists of one radiating unit and three guiding ones， while the graphene is designed as the ring structures to be loaded on the guiding units. It is found by the CST simulation that adjusting the chemical potential of graphene can change the equivalent area of guiding units and then the radiation direction of the antenna. And cutting off the metal plate below can increase greatly the dynamic range of beam pointing. This experiment displays that the radiation direction of microstrip-Yagi antenna is directly related to the area of guiding units and the length of the bottom metal plate， which deepens the students understanding about the influence factors of the pattern. The introduction of graphene， a hot material in scientific research， makes the antenna pattern no longer 'static'， which not only improves the interest of antenna experiment course， but also enhances the students' desire.

Key Words： Microstrip-yagi antenna; Graphene material; Pattern reconstruction; Experiment teaching

天線作為無線通訊設(shè)備的前門起到了發(fā)射和接收空間電磁波的作用，其性能的好壞直接影響著通信質(zhì)量?！段⒉夹g(shù)與天線》這門電子信息類本科專業(yè)課程擔(dān)負(fù)了培養(yǎng)未來天線研發(fā)人員的任務(wù)。該課程涉及到眾多基本天線，包括偶極子天線、微帶天線、八木天線、螺旋天線、喇叭天線等，主要講述這些天線的輻射理論和設(shè)計方法。天線分析理論性極強、公式推導(dǎo)復(fù)雜、概念抽象，同時天線的加工與測試又具有很強的工程實踐性，且加工、測試設(shè)備昂貴，實驗環(huán)境難以搭建。學(xué)生普遍反映課程難度大，理論概念較難理解、工程應(yīng)用難接觸，常常形成學(xué)不進、學(xué)不好、不想學(xué)的結(jié)果[1]。

針對天線教學(xué)中的困境，一些高校已經(jīng)開始嘗試各種教學(xué)改革。比如，大連海事大學(xué)開展了包含仿真環(huán)節(jié)的創(chuàng)新設(shè)計性天線實驗教學(xué)改革[2];沈陽航空航天大學(xué)基于HFSS仿真進行天線實驗教學(xué)研究[3];南京航空航天大學(xué)通過電磁仿真對介質(zhì)諧振天線進行了分析和教學(xué)演示[4];西安電子科技大學(xué)利用Quest設(shè)計了天線制造過程虛擬仿真教學(xué)實驗[5]。梳理當(dāng)前天線教學(xué)改革現(xiàn)狀不難發(fā)現(xiàn)，利用電磁仿真軟件進行實驗教學(xué)是一種有效的辦法，能夠顯著提高學(xué)生對天線形式、性能參數(shù)的理解。天線技術(shù)雖然是一門古老的技術(shù)，但是具有很強的包容性，新材料和新結(jié)構(gòu)均能納入其結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用范圍。新型的天線形式層出不窮，如數(shù)字編碼超材料天線、石墨烯天線、里德堡冷原子天線等。如果能夠?qū)⑦@些前沿技術(shù)適度引入到天線教學(xué)課堂上，那么必定會拉近課程內(nèi)容與時代的距離，增強學(xué)生的求知欲，提高其學(xué)習(xí)主觀能動性。

石墨烯是一種具有單原子厚度的二維材料，具有良好的光電屬性。自從其被發(fā)現(xiàn)以來，就成為了研究的熱點。關(guān)于石墨烯的報道可謂層出不窮，比如石墨烯輪胎、石墨烯顯示屏、石墨烯內(nèi)衣等，令人眼花繚亂。利用石墨烯設(shè)計功能器件也就變得理所當(dāng)然。對于石墨烯天線，最顯著的特性便是其可調(diào)諧性。在不改變天線尺寸的條件下，調(diào)節(jié)石墨烯電門可以重構(gòu)天線帶寬、方向性和極化等。電磁仿真軟件CST已經(jīng)集成了這種新材料，參數(shù)設(shè)置簡單直接，能夠方便地進行教學(xué)展示。鑒于石墨烯的“大名”，若將其引入到實驗教學(xué)中，學(xué)生定能眼前一亮，充滿對實驗內(nèi)容的期待。

本文將石墨烯材料引入到微帶—八木天線的教學(xué)實驗設(shè)計中，通過調(diào)節(jié)石墨烯化學(xué)勢來重構(gòu)天線輻射方向。利用CST軟件仿真，學(xué)生能夠直觀感受波束重構(gòu)的過程，加強對天線方向圖概念的理解。通過該實驗，學(xué)生掌握了改變天線方向圖指向的方法，理解了引向單元的耦合作用，體會了天線性能參數(shù)間相互制約的關(guān)系，構(gòu)建了更加全面的知識結(jié)構(gòu)。石墨烯的引入使得天線具備了動態(tài)掃描的功能，增強了天線學(xué)習(xí)的趣味性。同時，學(xué)生能夠認(rèn)識到新技術(shù)并非遙不可及、高不可攀，這無疑會提高其學(xué)習(xí)天線技術(shù)、探索新知識的信心。

1? 石墨烯微帶—八木天線模型

石墨烯加載的微帶—八木天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。上層包括一個半徑為r的圓形輻射貼片和三個半徑依次為r1、r2和r3的圓形引向單元，每個單元外附加一個石墨烯圓環(huán)，圓環(huán)外徑依次為R1、R2和R3。中間層為長L、寬W的SiO2襯底。底層為金屬接地板，面積與襯底相同。對于石墨烯材料，用介電常數(shù) 來表征其電學(xué)特性。與其表面電導(dǎo)率有關(guān)，包括帶內(nèi)貢獻和帶外貢獻。由于石墨烯在太赫茲波段具有較強的可調(diào)諧特性，所以在該波段設(shè)計本實驗天線。在太赫茲范圍內(nèi)，可化簡為[6]

（1）

其中，e為單位電荷，為約化普朗克常量，為角頻率，為石墨烯化學(xué)勢，與外加電壓有關(guān)，為弛豫時間，與石墨烯質(zhì)量有關(guān)。在教學(xué)過程中不必對石墨烯的物理屬性做過多深入的講解，因為本實驗引入石墨烯的目的是為了操控天線輻射方向，并非是為了掌握過多的石墨烯相關(guān)理論。教師講解中要做到適度的“淺嘗輒止”，重點講述CST軟件中石墨烯的建模方法，說明通過調(diào)節(jié)石墨烯化學(xué)勢能夠使石墨烯形態(tài)在介質(zhì)態(tài)和金屬態(tài)之間轉(zhuǎn)換。經(jīng)過優(yōu)化，相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：L=190μm，W=50μm，r=18μm，r1=15μm，r2=12μm，r3=9μm，R1=20μm，R2=22μm，R3=24μm，襯底厚度為12μm，微帶饋線寬度為3μm，貼片與引向單元的圓心坐標(biāo)依次為（0，12）、（45，12）、（95，12）、（145，12）。

2? 天線方向圖重構(gòu)教學(xué)展示

無石墨烯加載時，天線S11曲線如圖2所示?？梢?，在2.22 THz附近天線產(chǎn)生了窄帶諧振，回波損耗S11滿足小于-10 dB的要求。圖3給出了天線的三維輻射方向圖。可以看出，由于引向器的耦合作用，貼片輻射方向向右側(cè)偏轉(zhuǎn)，線性增益為8.04。通過觀察、思考，學(xué)生加深了對八木天線引向工作原理的理解。

為了使天線方向圖“動起來”，對引向單元加載石墨烯圓環(huán)。圖4給出了天線S11曲線隨石墨烯化學(xué)勢的變化情況。觀察發(fā)現(xiàn)，對于不同的化學(xué)勢，天線諧振位置幾乎不變，但諧振深度明顯改變。對比于無石墨烯加載情況，天線諧振頻率稍許變小。在諧振頻率2.17THz附近，回波損耗S11<-10dB一直成立。圖5給出了不同化學(xué)勢下天線的方向圖。隨著石墨烯化學(xué)勢增大，天線增益不斷減小。同時，石墨烯表現(xiàn)出越來越強的金屬性，這導(dǎo)致原始金屬引向單元的等效面積增大，致使其從起引向作用轉(zhuǎn)變?yōu)榉瓷渥饔?，天線方向圖從向右側(cè)輻射慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)橄蜃髠?cè)輻射。這一過程，充分展現(xiàn)了石墨烯的可調(diào)諧特性。學(xué)生自己設(shè)定化學(xué)勢值，觀察方向圖重構(gòu)現(xiàn)象，揭開這種新型二維材料的神秘面紗，拉近所學(xué)內(nèi)容與前沿科學(xué)的距離，增強獲得感和成就感，提高學(xué)習(xí)興趣。

為了拓展天線波束的動態(tài)范圍，現(xiàn)將底部金屬板截斷。圖6給出了帶有部分金屬底板天線的輻射情況。對比圖5發(fā)現(xiàn)，隨著石墨烯化學(xué)勢的變化，波束表現(xiàn)出更大的角度偏轉(zhuǎn)。然而，當(dāng) 時，天線副瓣顯著增大。所以，天線設(shè)計時要綜合考慮各個指標(biāo)間的制約關(guān)系。學(xué)生將能夠領(lǐng)會到一個指標(biāo)的提升可能是以犧牲另一個指標(biāo)為代價。所以在天線設(shè)計中，要以設(shè)計目的為導(dǎo)向，在不同指標(biāo)之間進行折中。

3? 結(jié)語

本實驗以微帶—八木天線為例，通過在天線設(shè)計中引入前沿?zé)狳c材料石墨烯，利用其電調(diào)諧能力展示了天線方向圖的重構(gòu)過程。基于CST軟件仿真，學(xué)生不但掌握了天線設(shè)計的基本步驟，學(xué)會了分析回波損耗、三維方向圖等性能參數(shù)，而且“明星材料”石墨烯的引入極大地提高了學(xué)習(xí)熱情。后續(xù)實驗教學(xué)中，可嘗試適度引入其它前沿技術(shù)，如光子晶體、超表面等。教師要不斷充實自己，掌握更多的新知識、新方法，豐富教學(xué)內(nèi)容。

參考文獻

[1] 王毅，鄧宏偉，陳未央，等.“微波技術(shù)與天線”的教學(xué)效果調(diào)查分析[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報，2018，40（1）：10-14.

[2] 房少軍，傅世強，李嬋娟. 創(chuàng)新設(shè)計性天線實驗教學(xué)改革與探討[J]. 實驗科學(xué)與技術(shù)，2015，13（2）： 74-76.

[3] 屈樂樂，楊天虹，張麗麗，等. 基于HFSS仿真軟件的天線實驗課程研究[J]. 實驗技術(shù)與管理，2016，33（7）： 129-132.

[4] 邢蕾，孔祥鯤，徐千. 理論分析與電磁仿真結(jié)合的微波器件設(shè)計教學(xué)[J]. 實驗技術(shù)與管理，2019，36（3）： 140-145.

[5] 王佩，賀華，陳改革. 基于Quest的天線制造過程三維虛擬仿真實驗[J].實驗技術(shù)與管理，2019，36（3）： 159-164.

[6] Fan Y C， Shen H， Koschny T， et al. Tunable terahertz meta-surface with graphene cut-wires [J]. ACS Photonics， 2015， 2（1）：151-156.