用于高性能太赫兹 6G 通信的双 SiO₂层分形石墨烯天线优化设计

在 6G 通信技术迅猛发展的背景下，太赫兹（THz）频段的天线研究成为焦点。本文介绍了一种用于太赫兹 6G 通信的双 SiO₂层分形石墨烯天线的设计、分析与优化，展示了其在高频通信领域的潜力。

一、研究背景与创新点

研究背景

随着 6G 通信对超高速度、高带宽和低延迟无线网络需求的增长，太赫兹频段备受关注。然而，设计适用于太赫兹通信的天线面临诸多挑战，如实现高增益、宽带宽性能、可重构性和实际应用中的可扩展性。

创新点

本研究设计的天线具有多项创新与优势。采用石墨烯材料，其在太赫兹系统中具备灵活性、高导电性和透明度，能提升辐射器性能；实现宽带操作，覆盖下一代无线通信技术（如 6G 系统）相关的宽带频谱；满足当代便携式设备对小型轻量化天线的需求，可与太赫兹频段的便携式 6G 设备无缝集成；辐射效率高，覆盖范围和信号强度更优；对环境波动高度敏感，适用于监测和传感应用；利用机器学习技术优化带宽和阻抗匹配等参数，提升整体性能并缩短开发周期。

3.亮点

（1）具有双 SiO₂层的太赫兹分形石墨烯贴片辐射器，专为 2.25 - 6.0 太赫兹的 6G 通信、成像和传感应用而设计。

（2）双 SiO₂电介质层和理想电导体（PEC）接地确保了在太赫兹频段内的最小反射和高效功率传输。

（3）峰值增益为 8.8 dBi 且最高效率达 80% 的稳定性能表明了其对 6G 技术的可行性。

（4）石墨烯贴片天线在太赫兹范围内表现出稳定的运行，确保了对 6G 系统的可靠性能。

（5）由机器学习驱动的算法（平均绝对误差、均方误差和决定系数）确保了高优化精度和有效性。

（6）研究展示了机器学习与有限元方法在太赫兹天线优化中的有效整合。

二、天线设计与演进

初始设计

从简单圆形设计开始，包含 SiO₂基板、石墨烯贴片、馈线和完美电导体（PEC）接地平面，工作频率范围为 2.48 - 6.0 THz，带宽达 3.52 THz。

首次修改

在圆形贴片结构中加入四个金属弧，部分分离接地侧导体，采用简单矩形单极接地平面，将带宽提升至 3.68 THz（2.32 - 6.0 THz）。

二次修改

进一步优化，在结构中添加更多金属弧，使用 SiO₂基板和石墨烯贴片，正面有八个边界弧、微带馈线和中心半圆形切口的单极接地平面，支持 2.31 - 6.0 THz 的超宽带范围，带宽为 3.69 THz。

最终设计

采用倒 U 形金属开放式环路优化性能，最终设计保持 2.25 - 6.0 THz 的超宽带频率范围，带宽为 3.75 THz，相比初始天线带宽提高 230 GHz，可支持更多太赫兹应用。

三、天线结构与建模

结构几何参数

天线结构包含两个 SiO₂基板（介电常数为 3.90），分别为基板 - 1 和基板 - 2，高度为

和

。基板 - 2 底部为 PEC，顶部有 50Ω 微带馈线（长度

、宽度

）。SiO₂基板 - 1 位于馈线上方，顶部为石墨烯贴片（尺寸 28 µm×20 µm），中心有八个 1nm 厚的弧形花瓣。设计共振频率为 2.25 - 6.0 THz，通过 FDTD 方法和 CST MW Studio 电磁仿真工具评估构建辐射系统。

石墨烯特性及对天线影响

石墨烯的表面电导率

由频率、化学势、温度、散射率等因素决定。在无磁场时，石墨烯呈各向同性，其总电导率由带内和带间贡献组成。通过改变化学势

可调节电导率，影响天线性能，如在低频段提升

可增强石墨烯电导率的虚部

，但在高频段趋于零，本设计选择低频段创建石墨烯贴片辐射器。同时，

变化会使

响应上下移动，当

超过 0.18 eV 时，结构出现多频带响应，但对阻抗带宽无影响。

等效电路建模

简化等效电路模型（ECM）从输入端口到输出端口由并联的

、

、

组件构成，接地以实现有效辐射。通过数学分析在共振频率下评估等效电路参数，选择

（常用于太赫兹天线）可能受到众多因素的影响，包括工作频率、系统的物理尺寸，或者等效电路模型精确表示实际系统的要求。

四、结果分析与解释

反射系数与电压驻波比（VSWR）

天线反射系数在 2.25 - 6.0 THz 频段内，阻抗带宽达 90.90%，呈现多频带特性，有七个共振频率（1.3、2.6、3.7、4.5、4.8、5.2、5.6 THz）。在整个工作带宽内，VSWR 低于 2，满足有效阻抗匹配条件（

且

），确保信号低损耗和高效功率传输。

辐射效率与增益

辐射效率在整个频谱上超 65%，最大值达 80%，在指定区域低频段覆盖范围大。增益方面，整个频率范围超 5 dBi，峰值增益 8.8 dBi，高频段性能稳定，能为 6G 系统提供可靠性能。

场分布与辐射方向图

在 3.7、4.5、4.8 THz 频率下，电场（E）和磁场（H）集中于馈线且相互垂直，增强辐射效果。表面电流分布显示，不同频率对应不同阶数的 TM 模式（如 3.7 THz 为二阶模式

，4.5 THz 为二阶谐振，4.8 THz 为四阶模式

），且 x 轴方向半波长波动恒定为 1，仅观察到偶数

模式。在 XY 和 YZ 平面辐射方向图中，低频段覆盖范围大，虽边缘场衰减影响辐射方向图倾斜，但功能频带内整体稳定。

五、参数研究分析

关键参数影响

研究表明

、

和

等设计参数对阻抗匹配至关重要。

时阻抗匹配最佳，

增大使频率响应升高，

因馈线与石墨烯贴片耦合失配导致阻抗匹配下降；

可实现宽频谱单频带响应；

时利于调整

输出。

介质材料影响

不同介质材料影响天线频率响应，低介电常数材料（如聚酰亚胺、二氧化硅、石英）频率响应较均匀，高介电常数材料（如硅）使频率响应向低频移动。通过调整

、

、

和

等参数可控制特征频率，抑制特定模式，实现多频带或宽单频带响应。

六、石墨烯基太赫兹天线的制备挑战与可能性

优势与潜力

石墨烯导电性、灵活性和原子级薄度使其成为小型高效太赫兹天线的理想材料，其可调谐特性可实时调整共振频率，对太赫兹通信系统意义重大。

挑战与局限

大规模制备高质量石墨烯面临挑战，如减少缺陷和保持一致性困难。精确的基板图案化需要先进沉积技术（如化学气相沉积），石墨烯与介质基板对准需高度受控环境。此外，将石墨烯集成到现有制造工艺中，实现成本效益和大规模生产的可扩展性也是难题。当前，太赫兹频率下石墨烯天线的生产和实验验证困难，多数研究依赖理论和计算，不过在 MHz 和 GHz 频率已有成功制备和测试案例，为太赫兹频率应用提供了可能。

七、基于机器学习的优化过程

优化流程与算法

机器学习辅助优化流程包括数据分割（分为测试集和训练集）、模型训练（用训练集训练模型）、性能评估（评估模型在未知数据上的性能）和超参数微调（优化模型参数）。本研究使用随机森林、人工神经网络（ANN）和 XGBoost 算法预测天线参数（如 VSWR 和

），基于改变各种缝隙属性大小创建数据集（1.0 - 6.0 THz 频谱，约 132,536 个数据点，80% 用于训练，20% 用于测试）。

算法性能评估

通过均方误差（MSE）、平均绝对误差（MAE）和决定系数（

）评估算法性能。随机森林算法在预测反射系数和 VSWR 时表现出色，

值高（分别为 0.9887 和 0.9962），MAE 和 MSE 值低，预测结果与 CST 仿真结果高度吻合；ANN 在预测反射系数时

为 0.9875，但 MAE 和 MSE 较高，预测 VSWR 时

为 0.6209，准确性较低；XGBoost 算法预测反射系数的

为 0.9248，MAE 和 MSE 介于随机森林和 ANN 之间。

八、与其他相关太赫兹天线的性能比较

性能对比总结

与其他已报道的太赫兹天线相比，本研究设计的双

层太赫兹石墨烯天线具有显著优势。天线尺寸为 200μm×200μm，远小于多数现有天线；工作频率范围 2.25 - 6.0 THz，带宽达 3.75 THz，覆盖范围广且包含多个共振频率；峰值增益 8.8 dBi，在同类天线中较高；采用机器学习算法优化，提升了性能。

适用应用领域

该天线适用于太赫兹 6G 通信、成像和传感等应用，能满足 6G 系统对高速率、高可靠性通信和高精度传感的需求，在未来无线通信和相关领域具有广阔应用前景。

九、研究结论

本研究成功设计、建模、分析和优化了一种以石墨烯为贴片材料、PEC 为接地和馈电元件的太赫兹贴片辐射器。天线工作在 2.25 - 6.0 THz 频段，适用于 6G 无线通信、成像和传感应用。石墨烯的可调电导率提升了天线效率，有限元法电磁仿真优化了关键参数，降低反射系数和 VSWR，确保高效功率传输和阻抗匹配。机器学习技术进一步优化设计，性能指标（MAE、MSE 和

）验证了优化的可靠性和准确性，展示了该天线在太赫兹应用中的潜力。未来研究可聚焦解决石墨烯基太赫兹天线制备难题，推动其在 6G 及相关领域的实际应用。

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