1 引言

自1991年日本Iijima教授發(fā)現(xiàn)碳納米管以來，納米技術(shù)吸引了大量科學(xué)家的興趣和研究，是目前科學(xué)界的研究熱點(diǎn)?；谔技{米管獨(dú)特的電學(xué)特性，提出了利用碳納米管陣列構(gòu)筑新型天線和傳輸線的設(shè)想。自此，國(guó)外相關(guān)機(jī)構(gòu)也開展了有關(guān)碳納米管和電磁波相互作用的研究利用碳納米管構(gòu)建新型的電磁波傳輸介質(zhì)以及發(fā)展新型的天線技術(shù)成為微波領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

由于具有彈道輸運(yùn)效應(yīng)以及準(zhǔn)一維量子線特性，碳納米管與傳統(tǒng)金屬管相比具有較低的歐姆損耗和較弱的趨膚效應(yīng)，具有構(gòu)建新型天線的可能，因此國(guó)內(nèi)外對(duì)納米天線進(jìn)行了不少研究。研究了單根納米管作為偶極子天線的性質(zhì)，理論計(jì)算表明納米管上電磁波的波長(zhǎng)大約是自由空間中波長(zhǎng)的1/50，具有在較低頻段諧振的可能。但是由于單根碳納米管天線輸入阻抗很高，導(dǎo)致天線效率太低，并沒有實(shí)際應(yīng)用的可能。因此采用碳納米管陣列構(gòu)建微波器件更具有現(xiàn)實(shí)意義。提出采用中點(diǎn)饋電的碳納米管束作為天線陣并采用CST進(jìn)行仿真，結(jié)果表明納米管束比單根納米管的天線效率提高了30-40dB，文中把納米管束作為電導(dǎo)率與納米管根數(shù)成正比的單根天線來研究，在理論上不夠準(zhǔn)確，而且鑒于納米管束的尺寸，采用中點(diǎn)饋電的方式激勵(lì)納米管束在實(shí)際中很難實(shí)現(xiàn)，所以耦合饋電方式是更好的選擇。采用碳納米管束組成圓形和矩形陣列并進(jìn)行了仿真分析，討論了納米管陣列各尺寸參數(shù)對(duì)輻射的影響，但是該文并沒有考慮到納米管的量子效應(yīng)并且缺乏相關(guān)實(shí)驗(yàn)。本文提出了一種新型的碳納米管天線陣列研究方法，即采用傳統(tǒng)微帶天線和印刷八木天線分別加載碳納米管束的方法對(duì)納米管陣列進(jìn)行空間饋電并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明加載碳納米管陣列后微帶天線輻射性能有明顯改變。

2 碳納米管材料

2.1 單壁碳納米管

單壁碳納米管是單層的圓筒形分子，僅由碳原子組成，在模型上可以看成是由層狀結(jié)構(gòu)的石墨片卷曲而成的半徑為納米尺度的空心管。圖1示意了如何由石墨片按所標(biāo)注的三種方向卷曲成碳納米管。

圖1 碳納米管卷曲示意圖

需要注意的是，這三種卷曲方式可以形成不同類型的碳納米管，其電學(xué)性質(zhì)也隨之呈現(xiàn)金屬性或半導(dǎo)體性，這是單壁碳納米管一個(gè)非常重要的特性。

2.2 多壁碳納米管

多壁碳納米管可以被看成是由多層片狀結(jié)構(gòu)的石墨片卷曲而成的套筒結(jié)構(gòu)，直徑一般為15-50nm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明單根的多壁碳納米管電導(dǎo)率約為1000-2000s/cm，具有良好的導(dǎo)電性能。

2.3 碳納米管的制備

目前碳納米管的制備方法主要有三種，分別是弧光放電法，激光高溫?zé)品ㄒ约盎瘜W(xué)氣相沉淀法。本文采用的實(shí)驗(yàn)樣品是使用化學(xué)氣相沉淀法制備多壁碳納米管陣列如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)樣品掃描電鏡照片

3 碳納米管陣列分析

3.1 周期金屬陣列概述

自日本學(xué)者八木秀次于1926年首次提出多引向性周期性金屬導(dǎo)波結(jié)構(gòu)以來，八木-宇田天線作為一種高定向性的行波天線獲得廣泛應(yīng)用。隨后進(jìn)行的理論研究表明在適當(dāng)?shù)募?lì)下，電磁波能沿著周期金屬柱陣列以行波的形式進(jìn)行有效傳輸，直到從不連續(xù)處輻射出去。

3.2 碳納米管陣列

文獻(xiàn)[2]通過對(duì)周期性電磁場(chǎng)激勵(lì)下的碳納米管中電子運(yùn)動(dòng)的分析，發(fā)現(xiàn)電子隨激勵(lì)電磁場(chǎng)做同周期的振蕩，輻射相同頻率的電磁波，這與傳統(tǒng)的金屬材料具有相似性。采用考慮量子效應(yīng)的海倫積分公式對(duì)碳納米管陣列的導(dǎo)波特性進(jìn)行了理論分析，證明了碳納米管陣列具有與宏觀金屬柱陣列類似的導(dǎo)波能力，同時(shí)由于碳納米管具有較大的動(dòng)能電感和量子電容，其諧振波長(zhǎng)約為空間波長(zhǎng)的1/12到1/50，因此碳納米管陣列尺寸遠(yuǎn)小于金屬陣列，更易于構(gòu)建小型化微波器件。

4 實(shí)驗(yàn)

4.1 微帶貼片天線加載納米管陣列的實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證碳納米管天線陣列的輻射性能，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。圖中的貼片天線是一個(gè)ku波段的微帶矩形貼片天線，作為對(duì)碳納米管陣列空間饋電的饋源，實(shí)物圖如圖4所示。

圖3 微帶貼片天線實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖4 微帶貼片天線實(shí)物圖

我們?cè)谫N片天線上加載納米管陣列，分別測(cè)試了天線的駐波以及方向圖，并與未加載的情況進(jìn)行對(duì)比，以此來觀測(cè)納米管陣列的輻射性能。圖5是采用HP8720ES矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試的S11結(jié)果，從圖上可以看出加載納米陣列以后S11沒有明顯的變化。圖6給出了幾個(gè)頻點(diǎn)的歸一化方向圖的測(cè)試結(jié)果，測(cè)試平面是圖3中的yoz面。從測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)在加載納米陣列后，天線方向圖發(fā)生了明顯的變化，在偏離主輻射方向約90度方向出現(xiàn)了一個(gè)新的波瓣，理論分析表明這是因?yàn)榧虞d的納米管陣列導(dǎo)波方向與貼片天線的天頂方向垂直，通過微帶貼片天線空間耦合過來的一部分能量受到納米管陣列導(dǎo)引而向水平面方向輻射。

圖5 微帶貼片天線S11測(cè)試結(jié)果

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

圖6 微帶貼片天線方向圖測(cè)試結(jié)果

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

4.2 微帶八木天線加載納米管陣列的實(shí)驗(yàn)

我們還設(shè)計(jì)了一種微帶八木天線作為碳納米管陣列空間饋電的饋源，采用的實(shí)驗(yàn)裝置與天線實(shí)物圖如圖6, 7所示。這種微帶天線具有較好的定向性，并且增加引向振子的數(shù)目能夠顯著提升它的定向能力，因此我們將納米陣列貼在天線的引向振子處，并使納米管線的方向與引向振子方向一致，測(cè)試結(jié)果如圖8, 9所示。從圖8可以看到，加載納米陣列后天線的諧振頻率發(fā)生了變化，這與矩形貼片天線的測(cè)試結(jié)果不同。另外，從方向圖測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)加載納米陣列后天線定向性有所提高，理論分析表明是因?yàn)榧{米管陣列增強(qiáng)了引向振子對(duì)能量的導(dǎo)引。

圖6 微帶八木天線實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

(a)無加載 (b)加載碳納米管陣列

圖7 微帶八木天線實(shí)物圖

圖8 微帶八木天線S11測(cè)試結(jié)果

(a) (b)

(c) (d)

圖9 微帶八木天線方向圖測(cè)試結(jié)果

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

5 總結(jié)

本文通過采用在微帶天線上加載碳納米管陣列的方法對(duì)碳納米管陣列天線的輻射性能做了實(shí)驗(yàn)研究。文章首先測(cè)試和比較了兩種微帶天線加載碳納米管陣列后輻射方向圖的變化，其結(jié)果表明碳納米管陣列能夠顯著改變天線的輻射特性。