基于高导电石墨烯组装薄膜的毫米波/短距离无线通信天线

1**成果简介 **

毫米波和短距离无线通信具有传输速度快、数据容量大等优点，是物联网的重要组成部分。本文，武汉理工大学何大平 教授团队在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊发表名为“Millimeter-Wave and Short-Range Wireless Communication Antenna Based on High-Conductivity Graphene-Assembled Film”的论文，研究提出了两种工作在典型毫米波频段（45 和 60 GHz）的基于石墨烯组装薄膜（GAF）的天线阵列，用于短距离无线通信应用。45GHz 的石墨烯组装薄膜天线阵列采用磁电偶极子天线的形式，通过条形槽耦合实现双向辐射，工作带宽为40-49.5GHz，实现增益11.8 dBi。60GHz的石墨烯组装薄膜天线利用微带不连续辐射阵列实现了 59-64 GHz 的工作带宽辐射，在工作频率上达到了14.92dBi 的峰值实现增益。

最后，我们提出了一个实验验证方法，以验证两种天线阵列在实际会议室中的传输性能。结果表明，信号在室内缓慢下降，下降率分别为0.064 dB/cm（45 GHz 时）和 0.071 dB/cm（60 GHz 时），而信号穿过墙壁时则急剧下降，下降率分别为2.3和3.13 dB/cm，信号在室内和穿过墙壁时的下降率相差超过35倍。实验证实，所提出的天线阵列能成功实现快速的室内短距离无线通信，同时还能防止信号穿墙泄漏，从而提高信息的安全性。总之，这是我们首次将石墨烯基材料应用于毫米波和短距离无线通信，揭示了碳基材料在高频通信系统中的巨大潜力。

2图文导读

图1.石墨烯组装薄膜（GAF）的表征

图2. (a) 磁电偶极子天线阵列照片；(b) 磁电偶极子天线阵列在 45 GHz 频率下的电场分布；(c) 磁电偶极子天线阵列的模拟和测量 S 参数；(d) 微带不连续辐射天线阵列照片；(e) 微带不连续辐射天线阵列在60GHz 频率下的电场分布；(f) 微带不连续辐射天线阵列的模拟和测量S参数。

图3. (a) 拟议天线阵列的近场测量实验装置；(b) 45 GHz 时磁电偶极子天线阵列的近场电场幅值 (|Ey|)分布测量结果；(c) 45 GHz 时磁电偶极子天线阵列的近场电场相位分布测量结果；(d) 60 GHz 时微带不连续辐射天线阵列的近场电场幅值 (|Ex|)；(e) 60 GHz 时微带不连续辐射天线阵列的近场电场相位分布。

图4. (a) 天线辐射模式的实验验证装置；(b) 磁电偶极子天线阵列的实现增益；(c) 磁电偶极子天线阵列的模拟和测量 xoz 平面归一化远场辐射模式；(d) 微带非连续辐射天线阵列的峰值实现增益；(e) 微带非连续辐射天线阵列的模拟和测量 xoz 平面归一化远场辐射模式。

图5：（a）室内环境中拟议短程无线通信的示意场景；（b）拟议天线阵列的实验信号传输；以及（c）45 GHz 磁电偶极子天线阵列和（d）60 GHz 微带不连续辐射天线阵列的接收功率。

3**小结 **

总之，这项研究展示了基于石墨烯组装薄膜的两种毫米波短程无线通信天线阵列，分别适用于 IEEE 802.11aj 和 802.11ad 标准。对于 45 GHz 频段，拟议的石墨烯组装薄膜磁电偶极子天线阵列具有 40-49.5 GHz 的宽工作带宽和双向对称波束，峰值增益为 11.8 dBi。对于 60 GHz 频段，拟议的石墨烯组装薄膜微带不连续辐射天线阵列的工作频率为 59-64 GHz，峰值增益为 14.92 dBi。

为了验证所提天线阵列在短距离无线通信中的性能，我们构建了一个用于会议室信号传输的无线通信方案。结果表明，所提出的两个天线阵列的信号在房间内下降速度较慢，而在穿墙传输后则急剧下降，两者的下降速度相差超过 35 倍，在提供对整个房间的信号覆盖的同时抑制了信号泄漏，提高了信息的安全性。这项研究表明，未来毫米波短距离无线通信所需的大容量、低延迟和高密度接入技术具有广阔的应用前景。同时，它还证实了石墨烯组装薄膜在高频微波领域的巨大应用价值。





审核编辑：刘清