石墨烯材料在天线方向图重构实验教学中的应用

卞立安 刘雨 李丹琳 黄楷程 游燕 崔立勇

摘  要：本文提出了将石墨烯材料引入到微带—八木天线上重构天线辐射方向图的实验教学构想。金属微带—八木天线由一个辐射单元和三个引向单元组成，而石墨烯被设计成圆环结构加载到引向单元上。利用CST软件仿真发现：调节石墨烯化学势能够改变引向单元的等效面积，进而改变天线的辐射方向;截断天线底部金属板可大幅增加波束指向的动态范围。通过该实验，说明微带—八木天线辐射方向与引向器的面积、底部金属板长度直接相关，加深了学生对方向图影响因素的认知。科学研究热点材料石墨烯的引入使得天线方向图不再“静止”，这不但提高了天线实验课程的趣味性，而且增强了学生对科学研究的探索欲望。

关键词：微带—八木天线  石墨烯材料  方向图重构  实验教学

中图分类号：TN820;G642.               文献标识码：A                    文章编号：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

天線作为无线通讯设备的前门起到了发射和接收空间电磁波的作用，其性能的好坏直接影响着通信质量。《微波技术与天线》这门电子信息类本科专业课程担负了培养未来天线研发人员的任务。该课程涉及到众多基本天线，包括偶极子天线、微带天线、八木天线、螺旋天线、喇叭天线等，主要讲述这些天线的辐射理论和设计方法。天线分析理论性极强、公式推导复杂、概念抽象，同时天线的加工与测试又具有很强的工程实践性，且加工、测试设备昂贵，实验环境难以搭建。学生普遍反映课程难度大，理论概念较难理解、工程应用难接触，常常形成学不进、学不好、不想学的结果[1]。

针对天线教学中的困境，一些高校已经开始尝试各种教学改革。比如，大连海事大学开展了包含仿真环节的创新设计性天线实验教学改革[2];沈阳航空航天大学基于HFSS仿真进行天线实验教学研究[3];南京航空航天大学通过电磁仿真对介质谐振天线进行了分析和教学演示[4];西安电子科技大学利用Quest设计了天线制造过程虚拟仿真教学实验[5]。梳理当前天线教学改革现状不难发现，利用电磁仿真软件进行实验教学是一种有效的办法，能够显著提高学生对天线形式、性能参数的理解。天线技术虽然是一门古老的技术，但是具有很强的包容性，新材料和新结构均能纳入其结构设计应用范围。新型的天线形式层出不穷，如数字编码超材料天线、石墨烯天线、里德堡冷原子天线等。如果能够将这些前沿技术适度引入到天线教学课堂上，那么必定会拉近课程内容与时代的距离，增强学生的求知欲，提高其学习主观能动性。

石墨烯是一种具有单原子厚度的二维材料，具有良好的光电属性。自从其被发现以来，就成为了研究的热点。关于石墨烯的报道可谓层出不穷，比如石墨烯轮胎、石墨烯显示屏、石墨烯内衣等，令人眼花缭乱。利用石墨烯设计功能器件也就变得理所当然。对于石墨烯天线，最显著的特性便是其可调谐性。在不改变天线尺寸的条件下，调节石墨烯电门可以重构天线带宽、方向性和极化等。电磁仿真软件CST已经集成了这种新材料，参数设置简单直接，能够方便地进行教学展示。鉴于石墨烯的“大名”，若将其引入到实验教学中，学生定能眼前一亮，充满对实验内容的期待。

本文将石墨烯材料引入到微带—八木天线的教学实验设计中，通过调节石墨烯化学势来重构天线辐射方向。利用CST软件仿真，学生能够直观感受波束重构的过程，加强对天线方向图概念的理解。通过该实验，学生掌握了改变天线方向图指向的方法，理解了引向单元的耦合作用，体会了天线性能参数间相互制约的关系，构建了更加全面的知识结构。石墨烯的引入使得天线具备了动态扫描的功能，增强了天线学习的趣味性。同时，学生能够认识到新技术并非遥不可及、高不可攀，这无疑会提高其学习天线技术、探索新知识的信心。

1  石墨烯微带—八木天线模型

石墨烯加载的微带—八木天线结构如图1所示。上层包括一个半径为r的圆形辐射贴片和三个半径依次为r1、r2和r3的圆形引向单元，每个单元外附加一个石墨烯圆环，圓环外径依次为R1、R2和R3。中间层为长L、宽W的SiO2衬底。底层为金属接地板，面积与衬底相同。对于石墨烯材料，用介电常数 来表征其电学特性。与其表面电导率有关，包括带内贡献和带外贡献。由于石墨烯在太赫兹波段具有较强的可调谐特性，所以在该波段设计本实验天线。在太赫兹范围内，可化简为[6]

（1）

其中，e为单位电荷，为约化普朗克常量，为角频率，为石墨烯化学势，与外加电压有关，为弛豫时间，与石墨烯质量有关。在教学过程中不必对石墨烯的物理属性做过多深入的讲解，因为本实验引入石墨烯的目的是为了操控天线辐射方向，并非是为了掌握过多的石墨烯相关理论。教师讲解中要做到适度的“浅尝辄止”，重点讲述CST软件中石墨烯的建模方法，说明通过调节石墨烯化学势能够使石墨烯形态在介质态和金属态之间转换。经过优化，相关参数设置如下：L=190μm，W=50μm，r=18μm，r1=15μm，r2=12μm，r3=9μm，R1=20μm，R2=22μm，R3=24μm，衬底厚度为12μm，微带馈线宽度为3μm，贴片与引向单元的圆心坐标依次为（0，12）、（45，12）、（95，12）、（145，12）。

2  天线方向图重构教学展示

无石墨烯加载时，天线S11曲线如图2所示。可见，在2.22 THz附近天线产生了窄带谐振，回波损耗S11满足小于-10 dB的要求。图3给出了天线的三维辐射方向图。可以看出，由于引向器的耦合作用，贴片辐射方向向右侧偏转，线性增益为8.04。通过观察、思考，学生加深了对八木天线引向工作原理的理解。

为了使天线方向图“动起来”，对引向单元加载石墨烯圆环。图4给出了天线S11曲线随石墨烯化学势的变化情况。观察发现，对于不同的化学势，天线谐振位置几乎不变，但谐振深度明显改变。对比于无石墨烯加载情况，天线谐振频率稍许变小。在谐振频率2.17THz附近，回波损耗S11<-10dB一直成立。图5给出了不同化学势下天线的方向图。随着石墨烯化学势增大，天线增益不断减小。同时，石墨烯表现出越来越强的金属性，这导致原始金属引向单元的等效面积增大，致使其从起引向作用转变为反射作用，天线方向图从向右侧辐射慢慢转变为向左侧辐射。这一过程，充分展现了石墨烯的可调谐特性。学生自己设定化学势值，观察方向图重构现象，揭开这种新型二维材料的神秘面纱，拉近所学内容与前沿科学的距离，增强获得感和成就感，提高学习兴趣。

为了拓展天线波束的动态范围，现将底部金属板截断。图6给出了带有部分金属底板天线的辐射情况。对比图5发现，随着石墨烯化学势的变化，波束表现出更大的角度偏转。然而，当 时，天线副瓣显著增大。所以，天线设计时要综合考虑各个指标间的制约关系。学生将能够领会到一个指标的提升可能是以牺牲另一个指标为代价。所以在天线设计中，要以设计目的为导向，在不同指标之间进行折中。

3  结语

本实验以微带—八木天线为例，通过在天线设计中引入前沿热点材料石墨烯，利用其电调谐能力展示了天线方向图的重构过程。基于CST软件仿真，学生不但掌握了天线设计的基本步骤，学会了分析回波损耗、三维方向图等性能参数，而且“明星材料”石墨烯的引入极大地提高了学习热情。后续实验教学中，可尝试适度引入其它前沿技术，如光子晶体、超表面等。教师要不断充实自己，掌握更多的新知识、新方法，丰富教学内容。

参考文献

[1] 王毅，邓宏伟，陈未央，等.“微波技术与天线”的教学效果调查分析[J]. 电气电子教学学报，2018，40（1）：10-14.

[2] 房少军，傅世强，李婵娟. 创新设计性天线实验教学改革与探讨[J]. 实验科学与技术，2015，13（2）： 74-76.

[3] 屈乐乐，杨天虹，张丽丽，等. 基于HFSS仿真软件的天线实验课程研究[J]. 实验技术与管理，2016，33（7）： 129-132.

[4] 邢蕾，孔祥鲲，徐千. 理论分析与电磁仿真结合的微波器件设计教学[J]. 实验技术与管理，2019，36（3）： 140-145.

[5] 王佩，贺华，陈改革. 基于Quest的天线制造过程三维虚拟仿真实验[J].实验技术与管理，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.