碳纳米管阵列辐射的试验研讨

1 导言

自1991年日本Iijima教授发现碳纳米管以来，纳米技能招引了很多科学家的爱好和研讨，是现在科学界的研讨热门。根据碳纳米管共同的电学特性，提出了运用碳纳米管阵列构筑新式天线和传输线的想象。自此，国外相关组织也展开了有关碳纳米管和电磁波相互作用的研讨运用碳纳米管构建新式的电磁波传输介质以及开展新式的天线技能成为微波范畴研讨的一个热门。

由于具有弹道输运效应以及准一维量子线特性，碳纳米管与传统金属管比较具有较低的欧姆损耗和较弱的趋肤效应，具有构建新式天线的或许，因而国内外对纳米天线进行了不少研讨。研讨了单根纳米管作为偶极子天线的性质，理论核算标明纳米管上电磁波的波长大约是自由空间中波长的1/50，具有在较低频段谐振的或许。可是由于单根碳纳米管天线输入阻抗很高，导致天线功率太低，并没有实践运用的或许。因而选用碳纳米管阵列构建微波器材更具有现实意义。提出选用中点馈电的碳纳米管制作为天线阵并选用CST进行仿真，成果标明纳米管制比单根纳米管的天线功率提高了30-40dB，文中把纳米管制作为电导率与纳米管根数成正比的单根天线来研讨，在理论上不行精确，而且鉴于纳米管制的标准，选用中点馈电的办法鼓励纳米管制在实践中很难完成，所以耦合馈电办法是更好的挑选。选用碳纳米管制组成圆形和矩形阵列并进行了仿真剖析，评论了纳米管阵列各标准参数对辐射的影响，可是该文并没有考虑到纳米管的量子效应而且缺少相关试验。本文提出了一种新式的碳纳米管天线阵列研讨办法，即选用传统微带天线和印刷八木天线别离加载碳纳米管制的办法对纳米管阵列进行空间馈电并进行了试验测验，测验成果标明加载碳纳米管阵列后微带天线辐射功能有显着改动。

2 碳纳米管资料

2.1 单壁碳纳米管

单壁碳纳米管是单层的圆筒形分子，仅由碳原子组成，在模型上可以看成是由层状结构的石墨片弯曲而成的半径为纳米标准的空心管。图1暗示了怎么由石墨片按所标示的三种方向弯曲成碳纳米管。

图1 碳纳米管弯曲暗示图

需求留意的是，这三种弯曲办法可以构成不同类型的碳纳米管，其电学性质也随之呈现金属性或半导体性，这是单壁碳纳米管一个非常重要的特性。

2.2 多壁碳纳米管

多壁碳纳米管可以被看成是由多层片状结构的石墨片弯曲而成的套筒结构，直径一般为15-50nm。试验成果标明单根的多壁碳纳米管电导率约为1000-2000s/cm，具有杰出的导电功能。

2.3 碳纳米管的制备

现在碳纳米管的制备办法主要有三种，别离是弧光放电法，激光高温炙烤法以及化学气相沉淀法。本文选用的试验样品是运用化学气相沉淀法制备多壁碳纳米管阵列如图2所示。

图2 试验样品扫描电镜相片

3 碳纳米管阵列剖析

3.1 周期金属阵列概述

自日本学者八木秀次于1926年初次提出多引向性周期性金属导波结构以来，八木-宇田天线作为一种高定向性的行波天线取得广泛运用。随后进行的理论研讨标明在恰当的鼓励下，电磁波能沿着周期金属柱阵列以行波的方式进行有用传输，直到从不接连处辐射出去。

3.2 碳纳米管阵列

文献[2]经过对周期性电磁场鼓励下的碳纳米管中电子运动的剖析，发现电子随鼓励电磁场做同周期的振动，辐射相同频率的电磁波，这与传统的金属资料具有相似性。选用考虑量子效应的海伦积分公式对碳纳米管阵列的导波特性进行了理论剖析，证明了碳纳米管阵列具有与微观金属柱阵列相似的导波才能，一起由于碳纳米管具有较大的动能电感和量子%&&&&&%，其谐振波长约为空间波长的1/12到1/50，因而碳纳米管阵列标准远小于金属阵列，更易于构建小型化微波器材。

4 试验

4.1 微带贴片天线加载纳米管阵列的试验

为了验证碳纳米管天线阵列的辐射功能，咱们规划了一个试验设备如图3所示。图中的贴片天线是一个ku波段的微带矩形贴片天线，作为对碳纳米管阵列空间馈电的馈源，实物图如图4所示。

图3 微带贴片天线试验设备暗示图

图4 微带贴片天线实物图

咱们在贴片天线上加载纳米管阵列，别离测验了天线的驻波以及方向图，并与未加载的状况进行比照，以此来观测纳米管阵列的辐射功能。图5是选用HP8720ES矢量网络剖析仪测验的S11成果，从图上可以看出加载纳米阵列今后S11没有显着的改动。图6给出了几个频点的归一化方向图的测验成果，测验平面是图3中的yoz面。从测验成果可以发现在加载纳米阵列后，天线方向图发生了显着的改动，在违背主辐射方向约90度方向呈现了一个新的波瓣，理论剖析标明这是由于加载的纳米管阵列导波方向与贴片天线的天顶方向笔直，经过微带贴片天线空间耦合过来的一部分能量遭到纳米管阵列扶引而向水平面方向辐射。

图5 微带贴片天线S11测验成果

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

图6 微带贴片天线方向图测验成果

(a)13GHz, (b)13.1GHz, (c)13.2GHz, (d)13.3GHz, (e)13.4GHz,(f)13.5GHz

4.2 微带八木天线加载纳米管阵列的试验

咱们还规划了一种微带八木天线作为碳纳米管阵列空间馈电的馈源，选用的试验设备与天线实物图如图6, 7所示。这种微带天线具有较好的定向性，而且添加引向振子的数目可以明显提高它的定向才能，因而咱们将纳米阵列贴在天线的引向振子处，并使纳米管线的方向与引向振子方向共同，测验成果如图8, 9所示。从图8可以看到，加载纳米阵列后天线的谐振频率发生了改动，这与矩形贴片天线的测验成果不同。别的，从方向图测验成果可以发现加载纳米阵列后天线定向性有所提高，理论剖析标明是由于纳米管阵列增强了引向振子对能量的扶引。

图6 微带八木天线试验设备暗示图

(a)无加载 (b)加载碳纳米管阵列

图7 微带八木天线实物图

图8 微带八木天线S11测验成果

(a) (b)

(c) (d)

图9 微带八木天线方向图测验成果

(a)16GHz, (b)16.1GHz, (c)16.2GHz, (d)16.3GHz,

5 总结

本文经过选用在微带天线上加载碳纳米管阵列的办法对碳纳米管阵列天线的辐射功能做了试验研讨。文章首要测验和比较了两种微带天线加载碳纳米管阵列后辐射方向图的改动，其成果标明碳纳米管阵列可以明显改动天线的辐射特性。