本文要点：
制造了一种由柔性高导电率石墨烯材料制成的天线阵列，并报告了其在5G移动通信中的潜在应用。
介绍
在下一代移动通信中，即第五代（5G），高数据速率，巨大的系统容量，高效率，大规模设备连接和轻量级是必需的。为了实现这些特征，天线在无线信号发送和接收方面起着重要作用。
石墨烯是一种二维（2D）碳材料，具有许多独特的性能，如超高电子迁移率，非常高的灵敏度和热电流效应，重量轻，环保，耐腐蚀，机械稳定。已经报道了使用石墨烯薄膜来制造天线和相关装置。然而，这些报道的石墨烯天线的性能和加工工艺是不能令人满意的。在石墨烯天线的最大增益小于为0dBi，并且天线具有非常低的辐射效率。Sajal等人提出的天线。和Sa’don等人。具有一个非常粗糙的轮廓和其反射系数是不能接受的。
石墨烯天线和相关的微波器件由于其轻质，低成本和灵活的特性而引起了广泛的关注。然而，由于石墨烯材料在宏观尺度上的低导电性，它们的性能通常不令人满意。在本文中，制造了一种由柔性高导电率石墨烯材料制成的天线阵列，并报告了其在5G移动通信中的潜在应用。天线阵在3.51 GHz时具有6.77 dBi的高增益，具有出色的回波损耗，可与同类铜相媲美。此外，石墨烯天线具有与铜天线类似的辐射图案。
天线设计
2.1天线元件和馈电网络
在配置天线阵列之前，设计了具有3.5GHz谐振频率的单元件石墨烯微带天线。在完成天线元件的设计之后，将其导出到天线阵列中，该天线阵列需要由馈电网络馈电。与由简单微带线馈电的单个天线不同，天线阵列的馈电网络更复杂。
图1、FGF阵列元件和馈电网络设计。A，FGF阵列元件天线的示意图，B，模拟| S 11 | 天线单元的响应，C，FGF功率分配器的模型，D，功率分配器的模拟S参数，E，FGF馈电网络的模型，F，馈电网络的模拟S参数
2.2天线阵列
共同模拟了四个FGF天线阵元和馈电网络，以及相同结构和尺寸的铜天线阵列。
图2、FGF阵列天线设计与仿真。A，FGF和铜天线阵列的模型，B，模拟| S 11 | FGF和铜天线阵列，C，FGF天线阵列的模拟增益，D，E，FGF和铜天线阵列的模拟辐射图
制造
为了解决如前所述粗制备方法的报告的问题，提出了一种高精度的激光雕刻方法来制造天线。激光雕刻方法主要由三部分组成：热压，激光雕刻和转印。制造过程的示意图如图3所示。首先，通过200℃热压将FGF附着到聚四氟乙烯（PTFE）基材上。之后，通过模拟软件输出天线模型，用LPKF激光雕刻机切割带有PTFE基板的FGF，得到FGF天线。最后，将FGF天线从PTFE基板转移到FR-4基板。值得指出的是，LPKF激光雕刻机的切割精度为25μm。
图3、FGF天线阵的制造工艺
测试结果
激光雕刻产生的FGF和铜天线阵元件如图4A所示。亚微型A（SMA）连接器用于连接馈线和地线。为了更好地示出的设计和试验中，将指定的坐标系统被包括在图4 A.图4的B显示了模拟和测量的反射系数（特征在于| S 11 |以dB计）的FGF天线和铜天线的响应。
图4、天线元件的测量。A，FGF和铜天线元件的照片，（B）| S 11 | 天线元件的响应，C，D，FGF和铜天线的辐射图，E，F，辐射图测量
由预先设计的天线元件组成的2×2天线阵列如图5所示。FGF和铜天线阵列都是通过激光雕刻技术制造的。可以得出结论，石墨烯天线阵列和铜天线阵列具有相似的增益和辐射图案，表明两个阵列具有相似的性能。这项工作是一项初步研究，希望能够激发石墨烯在天线和微波器件应用中的更多潜在应用。
图5、天线阵列的测量。FGF天线阵列的照片，B | S 11 | FGF和铜天线阵列的响应，C，D，FGF和铜天线阵列的辐射图
小结
总之，本文提出了一种基于柔性高导电率石墨烯薄膜的5G移动通信在3.5 GHz下具有优异性能的天线阵列。FGF天线阵列具有出色的回波损耗-20.23 dB，在3.51 GHz时具有6.77 dBi的高增益。根据反射系数，增益和辐射方向图的实验结果，石墨烯天线显示出与铜对应物相当的性能。高导电石墨烯薄膜可用于制造性能良好，环保的天线和相关的微波器件。
参考文献：
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