基于碳纳米材料的可调谐滤波器与天线研究

Filter and antenna play critical roles in an electronic system. An important development of filter and antenna is towards frequency tunability. However, as the frequency of operation increases to millimeter-wave and terahertz and degree of miniaturization grows continuously, the loss of filter and antenna based on traditional electromagnetic materials is becoming higher and higher and their efficiency and reliability are getting worse and worse. Accordingly, conventional tunable methods cannot satisfy the requirement of high-level integration and fast-speed tunability any longer, appearing to be one of bottlenecks in the development of high-speed electronic systems. Hence, we propose to develop tunable filters and antennas based on novel Carbon nano materials such as Carbon nanotube and graphene, hoping to breakthrough the performance limits of tunable filters and antennas based on traditional electromagnetic materials. Generally, we plan to systematically study their operation mechanisms, design optimization, and technology implementation. Specifically, we will investigate into 1) multi-physics coupling of Carbon nanotube and grapheme and modeling of tunable inductance, conductance, and capacitance; 2) high-frequency and tunable characteristics of Carbon nano materials; 3) operation modes, design principles, optimization methods, and fabrication techniques. Clearly, the proposal has identified key problems in the way to realize low-lossy, high-efficient, high-reliable, and large-tunable filters and antennas based on Carbon nano materials. The solutions to them will lay a solid foundation for Carbon nano electronics and will offer technological know-how for emerging nano electronic systems.

滤波器与天线是构建电子系统的关键部件，可调谐也已成为其重要技术发展方向。但随着工作频率上升到毫米波和太赫兹，以及小型化程度的提高，基于传统电磁材料的滤波器和天线损耗越来越大，工作效率和可靠性显著降低，传统调谐方式也已无法满足集成度和调谐速率等要求。这成为限制小型化超高速电子系统发展的技术瓶颈之一。本项目拟采用基于碳纳米管和石墨烯等碳纳米材料的新型可调谐滤波器与天线，突破传统器件性能极限，系统研究其工作机理、设计优化与工艺实现，具体包括：1）碳纳米管和石墨烯的多物理耦合机制和可调电感、电导和纳机电电容的精确模型；2）碳纳米材料高频和可调特性; 3）高性能碳纳米可调谐滤波器和天线的工作模式、设计原理、优化方法和制备手段。本项目拟解决低损耗、高效率、大调谐范围、高可靠性的碳纳米可调谐滤波器和天线设计与实现的关健科学问题，为基于新型电磁材料的高性能小型化电子系统提供坚实的理论基础和关键技术储备。

碳纳米材料具有优异的电磁、热和力学特性。其中，金属性碳纳米材料的电阻率低，高频时受趋肤效应影响小，电流承载能力强；当其用于构成小型化无源器件时，比传统电磁材料能提供更高的品质因数和工作效率、较低的损耗，并且碳纳米材料中存在多种可调谐的工作机理，非常适合于构造可调谐器件。本项目针对基于新型碳纳米材料可调谐滤波器与天线面临的关键基础理论与技术难题进行深入研究，取得了一系列重要的理论成果和关键技术突破。首先我们建立了碳纳米管和石墨烯的多物理场耦合机制的精确模型，在此基础上自主开发了仿真算法与软件，用于研究无源碳纳米材料的高频特性与压控特性及设计无源碳纳米器件。然后成功生长出尺寸在毫米级别的石墨烯片，并转移到玻璃衬底上及利用自己搭建的目前最精确有效的石墨烯高频电导率测试方法对石墨烯片高频特性进行了表征。其次成功制备了综合性能大为提升的溴插层掺杂石墨烯混合物片上螺旋电感。其中两圈电感的Q值最高可达11.8，电感密度相比传统金属电感最高提升了116%；六圈电感的电感密度是相同尺寸下银电感的3.7倍。接着设计了基于单壁和多壁碳纳米管束的可调谐振器及空间滤波器。提出了具有较大调谐余地的六方氮化硼（hexagonal Boron Nitride, hBN）插层石墨烯谐振器，谐振频率的可调范围高达21%，同时保证Q值在20以上。同时设计优化了一种基于石墨烯材料的正弦阻抗调制新型漏波天线，只需要一种电压偏置即可实现天线的波束方向角可调。也提出了一种可重构的石墨烯反射阵列天线用来产生涡旋无线电磁波。更重要的是建成了我国第一套毫米波与太赫兹频段探针式集成天线测试平台。平台的建成极大地促进了我国在集成天线方面研究与发展。基于项目成果，在顶级自然杂志子刊 Nature Electronics 发表论文1篇，IEEE汇刊等权威期刊发表论文11篇，IEEE与CIE会议上发表论文23篇。申请国家发明专利10项，软件著作权1项。培养了多名青年学术骨干人才，包括国家自然科学基金青年科学基金获得者2人，德国洪堡学者1人，国际无线电科学联合会(URSI)青年科学家奖获得者1人。