Фрактальная графеновая плазмон-поляритонная патч-наноантенна для ближнего инфракрасного
и оптического диапазонов частот 

Рудольф Александрович Браже, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой физики, Ульяновский государственный  технический университет (Россия, г. Ульяновск, ул. Северный Венец, 32), brazhe@ulstu.ru
Егор Юрьевич Лебедев, студент, Ульяновский государственный технический университет (Россия, г. Ульяновск, ул. Северный Венец, 32), lebedev.egor@ulsk173.ru

Актуальность и цели. Благодаря своим мульти- и широкополосности, миниатюрности и планарной конструкции фрактальные патч-наноантенны получили широкое распространение в системах беспроводной связи в гигагерцовом диапазоне частот. Имеются успешные попытки их использования также на терагерцовых и оптических частотах. В этом случае весьма перспективным материалом для патча является графен ввиду его высокой электропроводности и удобства возбуждения поверхностных плазмон-поляритонных волн. В связи с этим целью работы является проектирование фрактальной графеновой плазмон-поляритонной патч-наноантенны для работы в ближней инфракрасной и оптической части спектра электромагнитных волн и математического моделирования ее характеристик. Материалы и методы. Предложен графеновой патч в форме треугольного «ковра» Серпинского в четвертой итерации на диэлектрической подложке из карбида кремния, арсенида галия или кварца, нанесенный на металлический заземленный электрод. Между патчем и заземленным электродом приложено затворное напряжение для сдвига уровня Ферми в графене относительно точки Дирака. В теоретической части работы использованы известные положения из физики графенов, теории фракталов и электроники сверхвысоких частот, плазмоники и антенно-фидерной техники. Моделирование производилось с использованием программного пакета CST Microwave Studio. Результаты. Для опорной модели наноантенны с фрактальным графеновым патчем в форме треугольника Серпинского в четвертой итерации со стороной большего треугольника 625 нм на диэлектрической подложке из карбида кремния толщиной 10 нм получены следующие результаты: резонансные частоты – 204, 356, 583, 912, 1294 ТГц; коэффициент  стоячей волны напряжения – не выше 1,7; входной импеданс – от 29 до 42 Ом. Максимальный коэффициент усиления (на частоте 582 ТГц) достигает значения 7,43 дБм, угловая ширина основного лепестка 91,8°, уровень боковых лепестков на 9,1 дБ меньше уровня основного лепестка. С целью оптимизации параметров антенны исследовано влияние на них материала и толщины подложки. Выводы. Показана возможность создания фрактальных патч-наноантенн на графене для работы в ближней части инфракрасной и оптической части электромагнитного излучения. Результаты работы могут быть использованы при проектировании указанных антенн и расчете их характеристик.

Ключевые слова

фрактальные патч-наноантенны, графен, параметр рассеяния, коэффициент стоячей волны, входной импеданс, диаграмма направленности

 Скачать статью в формате PDF

Для цитирования:

Браже Р. А., Лебедев Е. Ю. Фрактальная графеновая плазмонполяритонная патч-наноантенна для ближнего инфракрасного и оптического диапазонов частот // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2024. № 2. С. 98–111. doi: 10.21685/2072-3059-2024-2-7