基于石墨烯的6G太赫兹通信等离子体天线阵列：元启发式算法优化的紧凑型宽带设计

这篇研究论文创新性地提出了一种采用石墨烯材料的紧凑型串联馈电等离子体天线阵列，通过萤火虫算法(FFA)优化，实现在1-1.8 THz频段内55.5%的分数带宽(FBW)和>7.8 dBi的增益。该设计采用菱形-八边形复合谐振器结构，在125×28 μm2的微小尺寸下达成>80%的辐射效率，其MIMO系统展现出优异的ECC(<0.01)、DG(≈10 dB)等性能指标，为6G太赫兹前端模块提供了突破性解决方案。

　　

亮点

本研究的核心创新在于将萤火虫算法(FFA)与石墨烯等离子体技术相结合，开发出具有革命性尺寸-性能比的太赫兹天线阵列。其独特的双谐振器结构——就像纳米尺度的"俄罗斯套娃"——通过菱形和八边形结构的协同作用，在亚波长尺度(0.417λ×0.093λ)实现了超宽带特性。

天线建模

如图1所示，这个微型天线采用1μm厚的聚酰亚胺基板(ε_r=3.5)，就像给电子搭建了一个超薄"体操垫"。石墨烯单层通过中央十字偶极子巧妙连接两个谐振器，这种设计灵感来源于分形几何，使得表面等离子体激元(SPP)能在1-1.8THz范围内跳起"协同舞蹈"。Kubo公式建模显示，通过调节石墨烯化学势(μ_c)，就像调谐纳米级"电子风琴"，可实现动态频率响应。

MIMO天线构建

这个"纳米天线双人组"在MIMO配置下展现了惊人的默契度：

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  隔离度：<-20dB，相当于两个舞者完全不会踩到对方的脚

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  ECC：<0.01，堪比量子纠缠般的信号独立性

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  效率：>80%，就像永不断电的纳米发电机

  特别值得注意的是其TARC特性，在宽频带内保持稳定，宛如内置了智能缓冲器。

结论

这项研究相当于为6G通信打造了一把"太赫兹瑞士军刀"——将宽带、高增益、小尺寸等特性完美集成。其突破性的55.5%FBW性能，就像在太赫兹"沙漠"中开辟了一片绿洲，为未来智能医疗、量子通信等应用提供了关键硬件支持。

作者贡献声明

K. Kalaiarasan：主笔论文、方法论构建、实验设计与分析；G. P. Ramesh：论文审阅、研究指导与方法优化。

伦理审查

不适用

资助声明

本研究未接受任何机构资助

利益冲突声明

我们确认本研究不存在任何利益冲突，且未获得可能影响研究结果的重大财务支持。