东南大学《Carbon》：激光辅助丝网印刷石墨烯折叠反射阵列天线，用于毫米波应用

成果简介

在 5G、卫星、雷达和其他通信系统中应用的高频段天线备受青睐。石墨烯是一种二维材料，以其卓越的导电性、机械强度和化学稳定性而著称，有望在天线应用中替代铜。然而，由于实现高精度石墨烯图案的制造难题，有关毫米波及更高频率石墨烯天线的研究主要局限于理论和模拟。本文，东南大学Kuibo Yin、孙立涛 教授团队在《Carbon》期刊发表名为“Laser-Assisted Screen-Printing of Graphene Folded Reflectarray Antenna for Millimeter-Wave Applications”的论文，研究介绍了毫米波石墨烯折叠反射阵列天线（FRA）的设计与制造。该 FRA 采用在 RT5880 基板上丝网印刷石墨烯墨水的方法制造，然后用激光雕刻进行精确图案化。主反射器有 918 个贴片单元，极化栅的线宽和间距均为 100 微米。测量结果表明，该天线在 37.5 千兆赫时的峰值增益为 21.37 dBi。辐射模式显示，3 dB 波束宽度在 E 平面和 H 平面分别为 6° 和 4°，交叉极化超过 -18 dB。激光辅助丝网印刷方法为精密制造石墨烯通信器件提供了一种可行的策略。

图文导读

图1. 反射阵列和偏振栅的制作示意图。

图2. (a) 尺寸为 93 毫米×93 毫米的主反射器仿真模型图。(b) 馈电天线仿真模型图。(c) 极化网格的仿真模型图。(d) 折叠反射阵列天线的相位分布。(e) 反射相位随长度变化。(f) 和 (g) 分别显示了极化网格的反射系数和传输系数，证明了极化网格的极化选择性。(h) 仿真馈电天线的反射系数，显示出较宽的带宽。(i) 仿真馈电天线的辐射模式，在 H 平面上具有良好的对称性。

图3. (a) 石墨烯 FRA 示意图。(b) 石墨烯主反射器的数码照片。(c) 石墨烯偏振网格的数码照片。(d) 石墨烯 FRA 的数码照片。(e) 石墨烯单胞的扫描电镜图像。(f) 石墨烯偏振网格的扫描电镜图像。(g) 石墨烯薄膜的横截面SEM图像。(h) 石墨烯单胞边缘的扫描电镜图像。(i) 放大的石墨烯偏振栅 SEM 图像。(j) 石墨烯薄膜的拉曼光谱。(k) 石墨烯薄膜的 XRD 图谱。(l) 石墨烯在 26.5 至 40 GHz 频率范围内的微波吸收特性。

图4. (a) 电波暗室中的测试。(b) 石墨烯 FRA 的模拟和测量反射系数。(c) 石墨烯 FRA 在 37-42.5 GHz 范围内的最大增益变化。(d) 37.5GHz时石墨烯 FRA 在 xoz 平面上的模拟和测量辐射模式 (e) 37.5 GHz 时石墨烯 FRA 在 yoz 平面上的模拟和测量辐射模式。

小结

本文介绍了通过激光辅助丝网印刷制造的性能卓越的石墨烯 FRA。该天线在 37-42.5 GHz 频率范围内的回波损耗小于 -10dB，覆盖了 5G 毫米波频谱。它还在 37.5 GHz 频率上实现了 21.37 dBi 的峰值增益。在 E 平面和 H 平面的 3 dB 波束宽度分别为 6° 和 4°，交叉极化超过 -18 dB。与之前的石墨烯天线相比，该设计利用 FRA 架构在毫米波范围内实现了更高的增益。丝网印刷制造方法实现了大规模和低成本生产。

这种石墨烯 FRA 的性能表明，它在要求高增益、低剖面和轻重量的 5G 和其他毫米波通信系统中具有强大的应用潜力。未来还可以进一步优化石墨烯墨水的性能，以提高导电性和效率。此外，将石墨烯 FRA 与半导体器件集成，可使其成为毫米波片上系统的射频前端。随着研究和开发的不断深入，石墨烯天线可能会在无线平台中得到广泛应用。

文献：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.119235