摘 要

随着无线通信技术的迅速发展，现代通信设备对天线提出了更高的要求，更小的体积、更宽的带宽、便于集成、便于大规模生产成为了天线领域研究的主要方向。柔性天线由于具有柔性可弯曲、厚度薄、携带方便等特点，在现代通信设备方面得到了广泛应用，对柔性天线的研究也具有重要的意义。石墨烯因其高导电、高柔韧、重量轻和成本低的特性，在柔性天线设计领域具有很大的研究价值。

论文在厚度为0.9 mm的介质基板上设计了一款基于石墨烯薄膜的柔性宽带单极天线，天线的尺寸为24 mm × 30 mm，工作频段为3.6419 GHz-9.6023 GHz，通过CST软件对天线的匹配和辐射性能进行分析，并观察研究不同的弯曲程度对天线性能的影响。实验结果表明，文中设计的石墨烯天线具有良好的信号传输、辐射和接收性能，在较小的弯曲时仍能保持较好的匹配和辐射性能，并且天线成本低，便于大批量生产，此天线具有优异的应用价值。

关键词：柔性天线；石墨烯；宽带；单极子

Abstract

With the rapid development of wireless communication technology, modern communication equipment has put forward higher requirements for antennas. Smaller size, wider bandwidth, easy integration, and large-scale production have become the main research directions in the field of antennas. Due to its flexibility, thinness and portability, flexible antennas have been widely used in modern communication equipment, and research on flexible antennas is also of great significance. Graphene has great research value in the field of flexible antenna design because of its high conductivity, high flexibility, light weight and low cost.

In this paper, a flexible broadband monopole antenna based on graphene film is designed on a 0.9 mm dielectric substrate. The size of the antenna is 24 mm × 30 mm, and the working frequency range is 3.6419 GHz-9.6023 GHz. We analyze the antenna’s matching and radiation performance and observe the effects of different degrees of bending on antenna performance through CST software. The experimental results show that the graphene antenna designed in this paper has good signal transmission, radiation and receiving performance, and can maintain great matching and radiation performance in the case of small bending, and the antenna cost is low, which is convenient for mass production. The antenna has excellent application value.

Key Words：flexible antenna; graphene; broadband; monopole

目录

第1章 绪论 1

1.1 柔性天线研究背景及意义 1

1.2 柔性天线研究现状 2

1.3 论文主要工作及内容安排 3

第2章 天线的理论基础和分析方法 4

2.1 天线的辐射性能参数 4

2.1.1 天线的方向图 4

2.1.2 天线的方向性系数 4

2.1.3 天线的效率和增益 4

2.1.4 天线的带宽 5

2.2 微带天线 6

2.2.1 微带天线的结构 6

2.2.2 微带天线的优缺点和应用 6

2.2.3 微带天线的分析方法 7

2.3 CST简介 7

第3章 柔性宽带单极天线的设计 9

3.1 平面单极子天线的结构和设计原理 9

3.2 天线设计及性能分析 11

3.3.1 石墨烯单极天线的设计与优化 11

3.3.2 石墨烯单极天线弯曲性能分析 14

第4章 结论与展望 17

4.1 本文的主要工作 17

4.2 柔性天线展望 17

参考文献 18

致 谢 20

第1章 绪论

随着无线通信技术的迅速发展，现代通信设备对天线提出了更高的要求，更小的体积、更宽的带宽、便于集成、便于大规模生产成为了天线领域研究的主要方向^[1]。柔性天线由于具有柔性可弯曲、厚度薄、携带方便等特点，在现代通信设备方面得到了广泛应用，对柔性天线的研究也具有重要的意义^[2]。

1.1 柔性天线研究背景及意义

无线通信是指利用电磁波而不通过线缆进行的通信方式，无线通信技术从19世纪中期提出后得到了迅速的发展，并广泛应用到人们的生活中，改变着人类传统的通信方式，带来了许多便利。天线是无线通信系统中的重要部件，作用是能量转换，即将发射机通过传输线传送来的导行波变换成在自由空间内传播的电磁波，或者反过来，将从自由空间传送来的电磁波转换为能够通过传输线传送的导行波^[3]。

近些年来，无线通信设备的研发取得了极大进展，为了满足一些特殊情况下的无线通信，要求一些通信设备具备柔性可弯曲、厚度薄、携带方便等特点，在这种背景下，基于不同柔性材料的柔性天线的研究取得了很大进展^[4]。但是目前技术比较成熟的柔性天线使用的材料昂贵，制备过程复杂且效率低，不适合大规模生产应用，阻碍了柔性电子通信设备的普及，寻找新的性能优异的新材料制备柔性天线成为了科研工作者们的当务之急。

石墨烯（Graphene）是一种新兴的高导电性的材料，而且它本身也具有高柔韧性和良好的光学特性，目前正广泛应用于新型电池、柔性织物、化学传感器、柔性显示屏等方面的研究。石墨烯是原本就存在于自然界的材料，但之前由于技术问题一直不能分离得到单层的石墨烯，其优异性能得不到充分的应用。近代以来，随着科技的发展，石墨烯分离制备技术取得了重大突破，石墨烯这一自然界的宠儿逐渐进入了科研工作者的视线。印刷石墨烯也因其高导电，高柔韧，重量轻和成本低的特性，在柔性天线设计领域具有很大的研究价值。