1**成果簡(jiǎn)介 **

毫米波和短距離無(wú)線通信具有傳輸速度快、數(shù)據(jù)容量大等優(yōu)點(diǎn)，是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。本文，武漢理工大學(xué)何大平 教授團(tuán)隊(duì)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(wú)線通信應(yīng)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(shí)現(xiàn)雙向輻射，工作帶寬為40-49.5GHz，實(shí)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(shí)現(xiàn)了 59-64 GHz 的工作帶寬輻射，在工作頻率上達(dá)到了14.92dBi 的峰值實(shí)現(xiàn)增益。

最后，我們提出了一個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法，以驗(yàn)證兩種天線陣列在實(shí)際會(huì)議室中的傳輸性能。結(jié)果表明，信號(hào)在室內(nèi)緩慢下降，下降率分別為0.064 dB/cm（45 GHz 時(shí)）和 0.071 dB/cm（60 GHz 時(shí)），而信號(hào)穿過墻壁時(shí)則急劇下降，下降率分別為2.3和3.13 dB/cm，信號(hào)在室內(nèi)和穿過墻壁時(shí)的下降率相差超過35倍。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，所提出的天線陣列能成功實(shí)現(xiàn)快速的室內(nèi)短距離無(wú)線通信，同時(shí)還能防止信號(hào)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(yīng)用于毫米波和短距離無(wú)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(dǎo)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(chǎng)分布；(c) 磁電偶極子天線陣列的模擬和測(cè)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(chǎng)分布；(f) 微帶不連續(xù)輻射天線陣列的模擬和測(cè)量S參數(shù)。

圖3. (a) 擬議天線陣列的近場(chǎng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置；(b) 45 GHz 時(shí)磁電偶極子天線陣列的近場(chǎng)電場(chǎng)幅值 (|Ey|)分布測(cè)量結(jié)果；(c) 45 GHz 時(shí)磁電偶極子天線陣列的近場(chǎng)電場(chǎng)相位分布測(cè)量結(jié)果；(d) 60 GHz 時(shí)微帶不連續(xù)輻射天線陣列的近場(chǎng)電場(chǎng)幅值 (|Ex|)；(e) 60 GHz 時(shí)微帶不連續(xù)輻射天線陣列的近場(chǎng)電場(chǎng)相位分布。

圖4. (a) 天線輻射模式的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證裝置；(b) 磁電偶極子天線陣列的實(shí)現(xiàn)增益；(c) 磁電偶極子天線陣列的模擬和測(cè)量 xoz 平面歸一化遠(yuǎn)場(chǎng)輻射模式；(d) 微帶非連續(xù)輻射天線陣列的峰值實(shí)現(xiàn)增益；(e) 微帶非連續(xù)輻射天線陣列的模擬和測(cè)量 xoz 平面歸一化遠(yuǎn)場(chǎng)輻射模式。

圖5：（a）室內(nèi)環(huán)境中擬議短程無(wú)線通信的示意場(chǎng)景；（b）擬議天線陣列的實(shí)驗(yàn)信號(hào)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(jié) **

總之，這項(xiàng)研究展示了基于石墨烯組裝薄膜的兩種毫米波短程無(wú)線通信天線陣列，分別適用于 IEEE 802.11aj 和 802.11ad 標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)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?qū)ΨQ波束，峰值增益為 11.8 dBi。對(duì)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(yàn)證所提天線陣列在短距離無(wú)線通信中的性能，我們構(gòu)建了一個(gè)用于會(huì)議室信號(hào)傳輸?shù)臒o(wú)線通信方案。結(jié)果表明，所提出的兩個(gè)天線陣列的信號(hào)在房間內(nèi)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(duì)整個(gè)房間的信號(hào)覆蓋的同時(shí)抑制了信號(hào)泄漏，提高了信息的安全性。這項(xiàng)研究表明，未來(lái)毫米波短距離無(wú)線通信所需的大容量、低延遲和高密度接入技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。同時(shí)，它還證實(shí)了石墨烯組裝薄膜在高頻微波領(lǐng)域的巨大應(yīng)用價(jià)值。





審核編輯：劉清