武汉理工大学《Carbon》：基于高导电石墨烯组装膜的毫米波相控阵天线，用于5G应用

成果简介

在5G和未来6G的毫米波通信频段，无线电子设备的数量将呈爆发式增长。随着各国对长期碳中和的承诺，毫米波天线的金属替代已成为满足即将到来的5G时代绿色可持续发展要求的紧迫任务。本文，武汉理工大学何大平课题组在《Carbon》期刊发表名为“Millimeter wave phased array antenna based on highly conductive graphene-assembled film for 5G applications”的论文，研究首次提出了基于高导电石墨烯组装膜（GAF）的相控阵天线（PAA）用于5G毫米波应用，具有重量轻、导热系数高的优点。

该研究设计并制备了四波束定向扫描相控阵天线（DSPAA）和连续波束扫描相控阵天线（CSPAA）的两个PAA。GAF线性天线阵列有212个。与铜线阵列相比，工作带宽宽5%，旁瓣低5dB。基于GAF线性阵列和Butler矩阵馈电网络，GAF DSPAA设计为在26GHz 下工作。GAF DSPAA具有四个不同方向的光束，分别为-28°、-8°、6°和22°，具有出色的光束指向性能。此外，GAF CSPAA展示了在 -28° 至 28° 范围内令人满意的波束覆盖范围内工作的能力，并在26GHz时实现了 25.53 dBi的最大辐射增益。

图文导读

图1。(a) 面积为70cm×55cm的GAF数码照片；(b) GAF对折和三折后的拉曼光谱（图）；(c) GAF的XRD图谱和SEM图像(图示)；(d) GAF和铜的热传导比较。

图2。(a, b) GAF线阵天线结构图(a)和数码照片(b)。(c) 模拟和测量的反射系数。(d) GAF LAA 和铜 LAA 的 E 面辐射方向图。(e) LAA的模拟和测量增益

图3。(a) 微带线巴特勒矩阵馈电网络的结构（P1-4 为输入端口，P5-8 为输出端口）。(b) Butler 矩阵馈电网络各输出端口的相位差。(c) 端口1-4被激发的模拟3-D辐射模式。(d) GAF四光束DSPAA的数码照片。(e) 使用 GAF DSPAA 激活的不同端口测量的二维辐射方向图

图4。(a) GAF CSPAA的照片。(b-d) GAF CSPAA测量反射系数 (b) 和隔离度 (c, d)。(e) 在 GAF CSPAA 的不同扫描角度测量的二维辐射方向图。(f) CSPAA 在工作频带内的模拟和测量增益。(g) 端口相位差为 -135°、-90°、-45°、45°、90° 和 135° 时的模拟 3-D 辐射方向图。

小结

总之，这项工作展示了基于高导电石墨烯组装薄膜的 2 毫米波相控阵天线。GAF天线具有良好的工作性能，满足5G毫米波波束赋形技术的要求。该研究在大容量、低延迟、以及未来 5G 毫米波无线通信所需的高密度接入。同时，GAF波束赋形技术也可用于毫米波雷达的无线探测和传感应用。

文献：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.05.026