石墨烯與天線有什么關系？背后有大妙用

石墨烯與天線有什么關系？背后有大妙用

年輕的時候，我很迷戀電子學。無數(shù)次，電路沒有像預期一樣工作，失敗讓我學到一點：想告訴電子做什么簡直就是徒勞。盡管如此，搭建電子控制相控陣天線時我的興趣達到了最高點。簡單來講，稍微對時間進行調(diào)整，無數(shù)小天線生成的信號就可以射向特定方向，不需要移動硬件。



沒錯，我的裝置的確管用，雖然沒有預料的那樣好。不論怎樣，相控陣天線之所以讓我興奮，主要是因為通過對一系列獨立發(fā)射器的相位和振幅進行獨立控制，我們可以塑造輻射方向圖?？雌饋碚娴暮芸帷：髞?，我進入了光學領域，控制獨立激光器的相位與振幅，將它們組組合成單一、可操縱的激光束……從技術上講完全可以做到，但在理想與實際部署之間有許多障礙。



最近，研究人員已經(jīng)證實，相位控制在裝置中是可以實現(xiàn)的，裝置比控制的光線波長還要小。這是一個關鍵的進步，我們朝著沒有光纖的高容量光通信技術前進了一大步。有了這種技術，5G之后的移動通信、家庭Wi-Fi不會再卡了。



有多難？

控制大量發(fā)射器的振幅與相位聽起來很簡單。不妨想像一下，你要在Wi-Fi中達成目標。Wi-Fi源的頻率是5GHz，也就是說它的波長是6cm。再讓我們假設一下，有16根天線，按4x4排列。如果我想控制每一根天線單元的相位，就要確保每一條波束有同樣的長度（也就是波長的二十分之一：3mm）。要做到還是相對容易的。



image.png



要控制相位與振幅，接下來還有一件重要的事要做：你要調(diào)高或者調(diào)低天線單元的功率，在電路上安一些可變電容器，讓每一個天線單元實現(xiàn)可變延遲。聽起來簡單，我想告訴你，英國衛(wèi)星廣播公司(British Satellite Broadcasting)的相控陣天線是假的，由此可以看出，相控陣天線絕非什么容易的技術。



現(xiàn)在讓我們進入光學領域。我們可以選擇相對容易的路走，繼續(xù)使用紅外線，它的波長大約是10μm（微米）。這樣一來，4x4陣列波束需要的長度大約是500nm（納米）?？雌饋砜尚校且涀。喝绻褂霉?，重要的不只是波長，還有其它東西。如果波束波長只有40μm，那么波束的折射率變化幅度不能超過1%。波束越長，折射率必須更接近。當波長越來越短，或者發(fā)射器的距離越來越遠，要達到制造容差的要求也就變得越來越有挑戰(zhàn)。



總之：搭建光相控陣天線是可行的，在控制嚴密的實驗室環(huán)境下，我們可以在常態(tài)環(huán)境中就可以做到；但是并不容易。如果想改變每一個陣列單元光束的相位和振幅，現(xiàn)在還無法做到。



移相器

改變光場的相位是相當容易的事，只需要讓光跑遠一點抵達目的地或者跑慢一點就行了。要做到有兩種方法：一，從物理上拉伸光傳輸?shù)穆窂?，二，光會穿過材料，我們可以改變材料的折射率。后一種方法用得更多，但大多的材料只允許你對折射率進細微的調(diào)整。換言之，如果有什么裝置可以控制光相位的變化，裝置必須很長：如果折射率的變化幅度很小，你只能延長距離讓相位改變。在整個長度上必須保持統(tǒng)一。



image.png



有一個方法更好：大幅調(diào)整折射率。為了達到目標，光需要對電子形成強有力的反應。也就是說我們要用到導體，比如鋁或者金?？上У氖枪獯┻^金屬時會反射，或者被吸收。



只有一種情況例外，那就是光與金屬中的電子結合，形成表面等離子體。在這種情況下，光與電子運動結合在一起，形成緩慢移動的波，它會沿著金屬表面前進。如果你想計算一下折射率，根據(jù)傳播速度的不同，折射率可以達到100（玻璃為1.3，大多數(shù)材料介于1-5）。



等離子體的移動有一個關鍵：它的傳播速度與移動的電子數(shù)量關切密切。

石墨烯幫上大忙

石墨烯就是單層碳原子排成蜂窩結構。因為存在上述挑戰(zhàn)，石墨烯可以發(fā)揮作用。石墨烯是導體，可以支持表面等離子體傳播。不過石墨烯并不是金屬，它實際上是一種半導體，像硅一樣。石墨烯與硅有一個不同的地方，那就是自由移動的電子與受到原子限制的電子之間的能隙；石墨烯的能隙基本上等于零，而硅約為1伏特。當我們將電場應用于石墨烯，額外能量會讓更多的電子變成導電狀態(tài)，這樣就可以提高等離子體的移動速度。



要讓效果完全發(fā)揮出來，石墨烯不能受到外部世界的打擾。如果你只是在任意舊表面上覆蓋一層石墨烯，表面等離子體會幅射到表面內(nèi)，然后逃離出去。這樣一來，你想調(diào)節(jié)相位，但是找不到可以調(diào)節(jié)的東西。研究的關鍵正在于此：科學家找到了一種惰性基片（氮化硼），我們可以用基片將石墨烯封裝。成功將石墨烯裝進氮化硼后，研究人員就可以生成表面等離子體，在移相裝置的整個長度上傳輸時損耗很小。

最終結果顯示，裝置的長度約為600nm，但是折射率介于80-160，允許入射光場移動一個完全的周期（也就是相位調(diào)整360度）。



因為裝置的“心臟”是石墨烯，光必須擁有更長的波長才能形成等離子體，所以我們這里說的是紅外光，不是可見光。自由空間中的光波波長比整個移相裝置長10倍，真是酷極了。



你可能會感到奇怪，既然裝置連一個波長都不到，你如何完成360度相位轉移呢？答案是這樣的：裝置中的波長是等離子體的波長，而等離子體的波長更短，所以你可以將多個波長放進移相器。因為折射率接近100，波長也就會減少100。這樣一來，整個裝置的長度就會比等離子體的有效波長長很多。



與天線有什么關系？

我是從相控陣天線談起的，通過調(diào)節(jié)每一個天線單元，我們可以對幅射的相位和振幅進行調(diào)節(jié)，從而控制幅射圖的形狀和方向。就目前而言，我們已經(jīng)開發(fā)出有效的移相器，至少在紅外領域做到了。裝置并不笨重，相對比較強大。這是不是說紅外相控陣天線即將出現(xiàn)？

我想說“是的”，它已經(jīng)出現(xiàn)在實驗室中。在移動領域，5G允許我們調(diào)節(jié)天線幅射的形狀，對方向進行控制，這樣一來，在移動設備與固定天線之間就可以建立高容量連接。這是一個明顯的信號，它告訴我們高容量連接需要對波束進行一定的控制。



多年來，研究人員一直在考慮用自由空間光信號實現(xiàn)高容量數(shù)據(jù)連接。為了達成目標，我們要對多個激光束進行動態(tài)控制。如何做呢？你需要多元光天線，需要控制每一個發(fā)射器的相位與振幅。正因如此，這種技術不是無線的下一代，而是下一代的下一代技術。

本文出自東莞市捷誠石墨制品有限公司官網(wǎng)：http://m.9438833.cn 權威發(fā)布，    東莞市捷誠石墨制品有限公司是一家集銷售、應用開發(fā)，產(chǎn)品加工的石墨專業(yè)廠家，專門為模具行業(yè)、機械行業(yè)、真空熱處理爐、電子半導體及太陽能光伏產(chǎn)業(yè)等提供石墨材料、石墨電極和相關的石墨制品，歡迎致電13549365158更多關于石墨制品方面信息，可回本網(wǎng)站產(chǎn)品頁面詳細了解點擊：石墨制品  石墨模具  石墨坩堝 石墨轉子 石墨軸承 石墨板 石墨棒 石墨匣體 石墨熱場 真空爐石墨制品 電子石墨模具