CN106025572A - 基于局部非周期结构的石墨烯超宽带吸波器 - Google Patents

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Abstract

一种基于局部非周期结构的石墨烯超宽带吸波器，包括金属板层，在金属板层上面至少设置一层吸波层，吸波层由下而上依次设置有介质层、硅层、绝缘介质层和石墨烯层，硅层、绝缘介质层和石墨烯层构成偏压层，其中石墨烯层与硅层分别接外加偏置电压的正负电极，石墨烯层由若干个石墨烯基本单元在二维方向上以陈列形式组成。本发明具有很强的实用性，广泛地用于微波波段、低THz波段。由于其具有简易性的结构，容易在加工工艺中实现。通过调节石墨烯层的阻抗值及非周期结构应用，使吸波器获得超宽带吸波且呈现对极化不敏感的特性。引入多层非周期石墨烯结构，再对每一层加载适当偏置电压，进而使吸波器获得比基于单层的、周期的结构更宽的吸波带宽。

Description

基于局部非周期结构的石墨烯超宽带吸波器
技术领域
本发明涉及电磁吸波器领域，具体涉及一种基于石墨烯的局部非周期结构超宽带吸波器。该吸波器能够实现超带宽吸波，并且表现出了对极化不敏感的特性，可用于飞行器等目标的隐身、电磁特性的近场测试等方面。
背景技术
随着电子科学与技术的发展与进步，特别是军事科技的发展，使得雷达具备全天候、抗干扰和远程探测等能力，这对飞行器的生存能力和突防能力构成严重的挑战。因此，提高飞行器的隐身性能，对改善飞行器的综合作战效能具有重要的现实意义。
目前，实现雷达隐身技术的方法大致分为三类：结构隐身、阻抗加载式隐身和材料吸波隐身。
对于结构隐身而言，其是将入射的电磁波散射到其他方向来减少入射方向的反射波，但是这一方法只对单站的雷达有效，而面对双站和多站雷达则飞行器被发现的概率成倍增加。
阻抗加载式隐身是通过在飞行器的金属外表加载集总参数元件或分布参数元件来实现。其中，加载的元件产生一个电磁波，该电磁波与雷达波照射到飞行器上的反射波频率、极化和振幅均相同，但相位相反。然而，阻抗加载式隐身技术工艺复杂，且在技术层面上难以实现，以致于停留在理论研究阶段而无法开展应用研究。
材料吸波隐身是通过介质和表面层吸收电磁波，其原理是将电磁波的能量转化为热能来形成损耗以此达到隐身的目的。因此，材料吸波隐身成为了科学家和工程师们的重要研究方向，并且基于这一思路和方向产生了许多的成果。
关于材料吸波隐身方面，除了研究高损耗涂料外，更多关注的是吸波器设计。而石墨烯具有优良的导电性、热稳定性好、电子迁移率高、低密度等特性，在吸波材料隐身方面具有较大的应用前景。因此，基于石墨烯材料的吸波器引发了极大的研究热情。
在石墨烯吸波器的设计中，多层的吸波结构能够拓展吸波带宽，例如2013年MuhammadAmin[Muhammad Amin；Mohamed Farhat；HakanAn ultra-broadband multilayered grapheneabsorber[J].Optics Express,2013,No.24]等提出将石墨烯运用到多层吸波器的设计，并且设计出了在低THz宽频带的吸波器结构，但是其表面吸波层非对称性结构导致在宽频带内对极化入射角敏感，且90％以上吸收率的相对吸波带宽也较窄，单、双、三层吸波结构的相对吸波带宽分别仅为41.8％、73.4％、85％。
发明内容
本发明要的目的是克服上述不足，提供一种基于局部非周期结构的石墨烯超宽带吸波器，有单、双、多层结构，本发明基于石墨烯非周期结构的吸波器具有很强的实用性，广泛地用于微波波段、低THz波段。由于其具有简易性的结构，容易在加工工艺中实现。
本发明的目的是以下述方式实现的：
一种基于局部非周期结构的石墨烯超宽带吸波器，包括金属板层，在金属板层上面至少设置一层吸波层，吸波层由下而上依次设置有介质层、硅层、绝缘介质层和石墨烯层，硅层、绝缘介质层和石墨烯层构成偏压层，其中石墨烯层与硅层分别接外加偏置电压的正负电极，石墨烯层由若干个石墨烯基本单元在二维方向上以陈列形式组成。
上述基于局部非周期结构的石墨烯超宽带吸波器，所述绝缘介质层的厚度为整个吸波器厚度的1％-2％。
上述基于局部非周期结构的石墨烯超宽带吸波器，所述石墨烯基本单元由石墨烯材质的Ⅰ结构、Ⅱ结构和Ⅲ结构组成，其中Ⅱ结构的石墨烯片排列在中心位置，在Ⅱ结构的上、下、左、右分别排列3块石墨烯片，总共是8块石墨烯片加上中心位置的石墨烯片构成石墨烯基本单元，Ⅱ结构正上、正左、正下和正右四块石墨烯片为Ⅲ结构，Ⅱ结构左上、左下、右下和右上四块石墨烯片为Ⅰ结构，相邻石墨烯基本单元有部分重叠。
上述基于局部非周期结构的石墨烯超宽带吸波器，所述Ⅱ结构和Ⅰ结构的石墨烯片均为方形结构。
上述基于局部非周期结构的石墨烯超宽带吸波器，其中Ⅰ结构中石墨烯片的边长二倍于Ⅱ结构中石墨烯片边长，Ⅲ结构中石墨烯片是由两个Ⅱ结构中石墨烯片拼接组成。
上述基于局部非周期结构的石墨烯超宽带吸波器，绝缘介质层是电介质层。
上述基于局部非周期结构的石墨烯超宽带吸波器，绝缘介质层材质是二氧化硅或三氧化二铝。
上述基于局部非周期结构的石墨烯超宽带吸波器，介质层的材质为相对介电常数低且无损耗的介质。
上述基于局部非周期结构的石墨烯超宽带吸波器，介质层是PMI泡沫或空气。
上述基于局部非周期结构的石墨烯超宽带吸波器，金属板为导电性能高的金属。
基础知识：1石墨烯具有真正意义上的二维材料，是世界上最薄且硬度最大的物质，可以单独的稳定的存在，且具有很高的电子迁移率及很小的电阻率，最重要的性质是具有表面电导率及电可调的特性。根据kubo公式求解出石墨烯电导率与频率、化学势、外加偏置电场、温度、散射率等参量之间的关系。由上述已知关系进而推导得出石墨烯表面阻抗与频率及外加偏压的关系。因此，可以通过外加偏压对石墨烯表面阻抗进行宏观的调控。
2吸波器的吸收率表达式为：A(f)＝1-R(f)-T(f)＝1-|S11|2-|S21|2，其中R(f)、T(f)分别表示反射率与透射率，S11、S21分别表示电磁波在吸波器上的反射系数与透射系数。因为一般吸波器在底部区域会加载理想的金属板，导致S21＝0，所以吸收率表达式简写成A(f)＝1-R(f)＝1-|S11|2。
3在小于1THz的频率区间内，对石墨烯层加载一定的偏置电压所得到的表面阻抗实部值不随频率的改变而发生改变，而阻抗虚部值随频率的增加略微增长，增长的幅度区间很小。
相对于现有技术，本发明有以下优点：本发明基于石墨烯非周期结构的吸波器具有很强的实用性，广泛地用于微波波段、低THz波段。由于其具有简易性的结构，容易在加工工艺中实现。石墨烯材料具有电导率及电可调的特性，使得吸波器的非周期性石墨烯层具有阻抗可调的性质。通过调节石墨烯层的阻抗值及非周期结构的创新性应用，使吸波器获得超宽带吸波且呈现对极化不敏感的特性。在吸波器设计中，引入多层非周期石墨烯结构，再对每一层加载适当偏置电压，进而使吸波器获得比基于单层的、周期的结构更宽的吸波带宽。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
图2是本发明双层吸波层的结构示意图。
图3是本发明石墨烯层结构示意图。
图4是本发明单层吸波器的特性阻抗示意图。
图5是本发明单层吸波器的吸收率示意图。
图6是本发明不同极化入射波对单层吸收率的影响示意图。
图7是本发明双层吸波器的特性阻抗示意图。
图8是本发明双层吸波器的吸收率示意图。
图9是本发明不同极化入射波对双层吸收率的影响示意图。
具体实施方式
如图1-3所示，一种基于局部非周期结构的石墨烯超宽带吸波器，包括金属板层，在金属板层上面至少设置一层吸波层，吸波层由下而上依次设置有12介质层、11硅层、10绝缘介质层和1石墨烯层，硅层、绝缘介质层和石墨烯层构成偏压层，其中石墨烯层与硅层分别接外加偏置电压的正负电极，石墨烯层由若干个石墨烯基本单元在二维方向上以陈列形式组成。所述绝缘介质层的厚度为整个吸波器厚度的1％-2％。所述石墨烯基本单元由石墨烯材质的Ⅰ结构、Ⅱ结构和Ⅲ结构组成，其中Ⅱ结构的石墨烯片排列在中心位置，在Ⅱ结构的上、下、左、右分别排列3块石墨烯片，总共是8块石墨烯片加上中心位置的石墨烯片构成石墨烯基本单元，Ⅱ结构正上、正左、正下和正右四块石墨烯片为Ⅲ结构，Ⅱ结构左上、左下、右下和右上四块石墨烯片为Ⅰ结构，相邻石墨烯基本单元有部分重叠。所述Ⅱ结构和Ⅰ结构的石墨烯片均为方形结构。其中Ⅰ结构中石墨烯片的边长二倍于Ⅱ结构中石墨烯片边长，Ⅲ结构中石墨烯片是由两个Ⅱ结构中石墨烯片拼接组成。绝缘介质层是电介质层，绝缘介质层材质是二氧化硅或三氧化二铝。介质层的材质为相对介电常数低且无损耗的介质，介质层是PMI泡沫或空气，金属板为导电性能高的金属。
基于石墨烯的局部非周期结构超宽带吸波器有单、双、多层结构，单层和双层的单元结构立体图分别如图1和图3所示。
图1中“1、3、7、9”是基本单元顶层结构中四个顶角上大的方形结构石墨烯片(记为Ⅰ结构)，5是顶层结构中位于中心的小的方形结构石墨烯片(记为Ⅱ结构)，“2、4、6、8”是顶层结构中四个长条矩形结构石墨烯片(记为Ⅲ结构)。基本单元的顶部由二维石墨烯材质的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ结构组成，其中Ⅰ结构中石墨烯片的边长二倍于Ⅱ结构石墨烯片边长，Ⅲ结构中石墨烯片是由两个Ⅱ结构中石墨烯片拼接组成。
10是绝缘介质层(可取二氧化硅、三氧化二铝等电介质)，11是硅层。10、11以及Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共同组成吸波器的偏压层，其中石墨烯层与硅层分别接外加偏置电压的正负电极。12是吸波器介质层(可取PMI泡沫、空气等相对介电常数低且无损耗的介质)，13是理想金属板，可取金、银、铝、铜、铁等导电性能高的金属，代表了飞行器的金属外表或吸波材料的支撑结构。
图2所示的是如图1所示的基本单元组合而成的吸波器顶部单层二维石墨烯分布图。其中相邻的单元有部分的重叠，如：基本单元1＇中石墨烯片“7、8、9”与基本单元2＇中石墨烯片“1、2、3”相互重叠；基本单元1＇中石墨烯片“3、6、9”与基本单元3＇中石墨烯片“1、4、7”相互重叠；基本单元1＇中石墨烯片9与基本单元4＇中石墨烯片1相互重叠；同理，其余二维阵列上的基本单元与相邻基本单元也有类似的重叠。向四周延伸的箭头表示顶部单层二维石墨烯呈周期性排布，由此构成本发明中超宽带吸波器的局部非周期石墨烯结构。
图1中，以硅层11为外加直流电压的接地极，在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ结构中的石墨烯片上统一加载偏置电压U1。调节石墨烯外加偏置电压U1，由基础知识1知道，石墨烯表面阻抗值的大小会随着电压值的大小而发生改变。从而，吸波器整体结构的阻抗值具有可调节性。且在相当大的带宽中可以调节到与自由空间阻抗相匹配，进而实现宽频带吸波的特点。
基于局部非周期结构的单层石墨烯吸波器如图1，顶部石墨烯层中石墨烯片5的边长大于吸波带宽中心频率半波长的1％至7％。在吸波器的设计中，10、11的厚度通常在10um以内，约占整体结构厚度的1％至2％。介质层12的厚度为吸波带宽中心频率的四分之一波长。底板13是理想的金属板，其厚度在吸波器的设计中取任意不为0的值。由基础知识2得知，吸收率由吸波器整体结构的反射系数所决定。具体实施例如下：
单层吸波器顶部石墨烯层5的边长d＝1.5mm，石墨烯片的间距g＝0.6mm，介质层12的厚度h＝0.7mm。通过调节石墨烯层的偏置电压U1，使石墨烯片的阻抗值在170Ω/sq。上述单层吸波器的特性阻抗参数曲线如图4所示，整体吸波器结构在51GHz-150GHz的频率范围内归一化阻抗实部基本与自由空间相匹配，且归一化阻抗虚部基本在0附近。该单层吸波器的吸波曲线如图5所示，在51GHz-150GHz的频率范围内实现90％以上的吸收率，相对吸波带宽达到98.5％。图6是不同极化角度下的吸波曲线图，从图中可以看出大范围的极化入射角对吸波带宽及吸收率几乎没有任何影响，呈现出极化不敏感特性。
基于石墨烯非周期结构的双层吸波器如图3所示，它是基于单层结构构建而成。双、多层吸波器中的底层结构与图1单层吸波器是一致的。从第二层起，除了不具备图1单层结构的理想金属板13外，其余结构部分的技术参数与单层结构是一致的，即双层吸波器结构的第二层由图3中的石墨烯片1-9、绝缘介质层10、硅层11、介质层12组成，且1、3、7、9结构、5结构、2、4、6、8结构、10、11、12结构既是图1中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、10、11、12结构。三层及多层结构也是类似的构成，在此不多赘述。
在图3所示的双层结构中，从下至上分别为第一层和第二层。以硅结构11为外加直流电压的接地极，在双层石墨烯中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ结构上统一加载偏置电压U1和U2，用于调节石墨烯表面阻抗。类似的，多层结构的吸波器第n层石墨烯统一加载的偏置电压记为Un(n可取任意的正整数)。对多层吸波器的每一层施加偏置电压，依次为U1、U2......Un,进而调节每一层结构的石墨烯表面阻抗值。从而，所发明的吸波器阻抗值在相当大的带宽中可以调控到与自由空间阻抗相匹配，实现超宽带的吸波特点。当吸波器的层数n≥2时，可以获得比n-1层吸波器更大的带宽。具体以双层实施例来说明：
基于石墨烯非周期结构的双层吸波器具体结构参数与上述单层的一致。通过调节石墨烯层的偏置电压U1、U2，使底层及第二层石墨烯的阻抗值分别稳定在170Ω/sq、250Ω/sq。双层吸波器的特性阻抗曲线如图7所示，发明的吸波器在25GHz-180GHz的频率范围内归一化阻抗实部基本上与自由空间相匹配，且归一化阻抗虚部基本在0附近。该双层吸波器的吸波曲线如图8所示，在25GHz-178GHz的范围内实现90％以上的吸收率，相对吸波带宽为150％。在与单层结构吸波器相比较，吸波带宽得到了大跨度的提升。图9是不同极化角度下吸波曲线图，可以看出大范围的极化入射角对吸波带宽及吸收率几乎没有任何的影响。类似地，多层吸波结构(n≥2)亦表现出极化不敏感特性。
基于石墨烯非周期结构层的超宽带吸波器的优点：本发明基于石墨烯非周期结构的吸波器具有很强的实用性，广泛地用于微波波段、低THz波段。由于其具有简易性的结构，容易在加工工艺中实现。石墨烯材料具有电导率及电可调的特性，使得吸波器的非周期性石墨烯层具有阻抗可调的性质。通过调节石墨烯层的阻抗值及非周期结构的创新性应用，使吸波器获得超宽带吸波且呈现对极化不敏感的特性。在吸波器设计中，引入多层非周期石墨烯结构，再对每一层加载适当偏置电压，进而使吸波器获得比基于单层的、周期的结构更宽的吸波带宽。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于局部非周期结构的石墨烯超宽带吸波器，包括金属板层，其特征在于：在金属板层上面至少设置一层吸波层，吸波层由下而上依次设置有介质层、硅层、绝缘介质层和石墨烯层，硅层、绝缘介质层和石墨烯层构成偏压层，其中石墨烯层与硅层分别接外加偏置电压的正负电极，石墨烯层由若干个石墨烯基本单元在二维方向上以陈列形式组成。
2.根据权利要求1所述的基于局部非周期结构的石墨烯超宽带吸波器，其特征在于：所述绝缘介质层的厚度为整个吸波器厚度的1%-2%。
3.根据权利要求1所述的基于局部非周期结构的石墨烯超宽带吸波器，其特征在于：所述石墨烯基本单元由石墨烯材质的Ⅰ结构、Ⅱ结构和Ⅲ结构组成，其中Ⅱ结构的石墨烯片排列在中心位置，在Ⅱ结构的上、下、左、右分别排列3块石墨烯片，总共是8块石墨烯片加上中心位置的石墨烯片构成石墨烯基本单元，Ⅱ结构正上、正左、正下和正右四块石墨烯片为Ⅲ结构，Ⅱ结构左上、左下、右下和右上四块石墨烯片为Ⅰ结构，相邻石墨烯基本单元有部分重叠。
4.根据权利要求3所述的基于局部非周期结构的石墨烯超宽带吸波器，其特征在于：所述Ⅱ结构和Ⅰ结构的石墨烯片均为方形结构。
5.根据权利要求3所述的基于局部非周期结构的石墨烯超宽带吸波器，其特征在于：其中Ⅰ结构中石墨烯片的边长二倍于Ⅱ结构中石墨烯片边长，Ⅲ结构中石墨烯片是由两个Ⅱ结构中石墨烯片拼接组成。
6.根据权利要求1所述的基于局部非周期结构的石墨烯超宽带吸波器，其特征在于：绝缘介质层是电介质层。
7.根据权利要求6所述的基于局部非周期结构的石墨烯超宽带吸波器，其特征在于：绝缘介质层材质是二氧化硅或三氧化二铝。
8.根据权利要求1所述的基于局部非周期结构的石墨烯超宽带吸波器，其特征在于：介质层的材质为相对介电常数低且无损耗的介质。
9.根据权利要求8所述的基于局部非周期结构的石墨烯超宽带吸波器，其特征在于：介质层是PMI泡沫或空气。
10.根据权利要求8所述的基于局部非周期结构的石墨烯超宽带吸波器，其特征在于：金属板为导电性能高的金属。
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