基于高導電石墨烯組裝薄膜的毫米波/短距離無線通信天線

1**成果簡介 **

毫米波和短距離無線通信具有傳輸速度快、數(shù)據(jù)容量大等優(yōu)點，是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。本文，武漢理工大學何大平 教授團隊在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊發(fā)表名為“Millimeter-Wave and Short-Range Wireless Communication Antenna Based on High-Conductivity Graphene-Assembled Film”的論文，研究提出了兩種工作在典型毫米波頻段（45 和 60 GHz）的基于石墨烯組裝薄膜（GAF）的天線陣列，用于短距離無線通信應用。45GHz 的石墨烯組裝薄膜天線陣列采用磁電偶極子天線的形式，通過條形槽耦合實現(xiàn)雙向輻射，工作帶寬為40-49.5GHz，實現(xiàn)增益11.8 dBi。60GHz的石墨烯組裝薄膜天線利用微帶不連續(xù)輻射陣列實現(xiàn)了 59-64 GHz 的工作帶寬輻射，在工作頻率上達到了14.92dBi 的峰值實現(xiàn)增益。

最后，我們提出了一個實驗驗證方法，以驗證兩種天線陣列在實際會議室中的傳輸性能。結果表明，信號在室內緩慢下降，下降率分別為0.064 dB/cm（45 GHz 時）和 0.071 dB/cm（60 GHz 時），而信號穿過墻壁時則急劇下降，下降率分別為2.3和3.13 dB/cm，信號在室內和穿過墻壁時的下降率相差超過35倍。實驗證實，所提出的天線陣列能成功實現(xiàn)快速的室內短距離無線通信，同時還能防止信號穿墻泄漏，從而提高信息的安全性?？傊@是我們首次將石墨烯基材料應用于毫米波和短距離無線通信，揭示了碳基材料在高頻通信系統(tǒng)中的巨大潛力。

2圖文導讀

圖1.石墨烯組裝薄膜（GAF）的表征

圖2. (a) 磁電偶極子天線陣列照片；(b) 磁電偶極子天線陣列在 45 GHz 頻率下的電場分布；(c) 磁電偶極子天線陣列的模擬和測量 S 參數(shù)；(d) 微帶不連續(xù)輻射天線陣列照片；(e) 微帶不連續(xù)輻射天線陣列在60GHz 頻率下的電場分布；(f) 微帶不連續(xù)輻射天線陣列的模擬和測量S參數(shù)。

圖3. (a) 擬議天線陣列的近場測量實驗裝置；(b) 45 GHz 時磁電偶極子天線陣列的近場電場幅值 (|Ey|)分布測量結果；(c) 45 GHz 時磁電偶極子天線陣列的近場電場相位分布測量結果；(d) 60 GHz 時微帶不連續(xù)輻射天線陣列的近場電場幅值 (|Ex|)；(e) 60 GHz 時微帶不連續(xù)輻射天線陣列的近場電場相位分布。

圖4. (a) 天線輻射模式的實驗驗證裝置；(b) 磁電偶極子天線陣列的實現(xiàn)增益；(c) 磁電偶極子天線陣列的模擬和測量 xoz 平面歸一化遠場輻射模式；(d) 微帶非連續(xù)輻射天線陣列的峰值實現(xiàn)增益；(e) 微帶非連續(xù)輻射天線陣列的模擬和測量 xoz 平面歸一化遠場輻射模式。

圖5：（a）室內環(huán)境中擬議短程無線通信的示意場景；（b）擬議天線陣列的實驗信號傳輸；以及（c）45 GHz 磁電偶極子天線陣列和（d）60 GHz 微帶不連續(xù)輻射天線陣列的接收功率。

3**小結 **

總之，這項研究展示了基于石墨烯組裝薄膜的兩種毫米波短程無線通信天線陣列，分別適用于 IEEE 802.11aj 和 802.11ad 標準。對于 45 GHz 頻段，擬議的石墨烯組裝薄膜磁電偶極子天線陣列具有 40-49.5 GHz 的寬工作帶寬和雙向對稱波束，峰值增益為 11.8 dBi。對于 60 GHz 頻段，擬議的石墨烯組裝薄膜微帶不連續(xù)輻射天線陣列的工作頻率為 59-64 GHz，峰值增益為 14.92 dBi。

為了驗證所提天線陣列在短距離無線通信中的性能，我們構建了一個用于會議室信號傳輸?shù)臒o線通信方案。結果表明，所提出的兩個天線陣列的信號在房間內下降速度較慢，而在穿墻傳輸后則急劇下降，兩者的下降速度相差超過 35 倍，在提供對整個房間的信號覆蓋的同時抑制了信號泄漏，提高了信息的安全性。這項研究表明，未來毫米波短距離無線通信所需的大容量、低延遲和高密度接入技術具有廣闊的應用前景。同時，它還證實了石墨烯組裝薄膜在高頻微波領域的巨大應用價值。





審核編輯：劉清