CN107331972A - 基于石墨烯的人工超表面电磁波幅度调制器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种石墨烯的人工超表面电磁波幅度调制器，主要解决现有电磁波幅度调制器调制范围小、调制带宽窄的技术问题，包括直流电源和由上而下依次层叠的频率选择表面、三层介质基板和反射板；在第二介质层与反射板间设有相对介电常数小于3的介质层，展宽了吸波带宽；频率选择表面由m×n个十字形周期单元构成，十字形单元的中心为嵌入石墨烯薄膜的矩形环金属贴片，矩形环金属贴片上下连有金属枝节；水平金属细导线将整行单个十字形单元串接一体。本发明结构简单，采用嵌入石墨烯薄膜的金属贴片使调制带宽更宽且反射波调制幅度更大；使用电导率高的反射板，减小了吸波器对电磁波的透射。适用于主动电磁隐身和电光开关设备。

Description

基于石墨烯的人工超表面电磁波幅度调制器

技术领域

本发明属于电磁隐身技术领域，主要涉及幅度调制器，具体是一种基于石墨烯的人工超表面电磁波幅度调制器，可用于主动电磁隐身和电光开关设备。

背景技术

石墨烯是由单层六边形原胞碳原子组成的蜂窝状二维薄膜材料，具有独特的二维结构和零带隙电子能带，拥有极高的电子及空穴迁移率，优异的力学、电学、光学性能以及良好的电导率可调特性，适合应用于光学器件和透明电磁器件，如极化器、滤波器、反射器、调制器以及表面等离极化激元(SPP)传输器等，是一种性能可调、极富潜力的新材料。

人工电磁超表面是由一系列人工设计的二维周期结构排列构成，具有平面化、宽频域、宽角域、可编程等电磁调控特性。为了实现电磁波的动态调制，科学家们提出了半导体、相变材料、液晶等这类活性媒质，其光电性质会随外加光、电、热等变化而变化，可实现可调电磁波超材料。然而由于这些材料本身有着容易受温度变化影响或性质变化范围较小的局限性，并不能完全达到人们对主动调制范围、稳定性和速度等要素的要求。而石墨烯超材料则具有调制方便、调制范围较大等优势，因此将石墨烯和人工电磁超表面这两种二维材料进行结构一体化设计，通过在外部施加不同的控制信号来实现对电磁波的各种调控，可实现一种宽带可调控电磁波反射和透射的复合结构，这在调控电磁波的传播方面和无线信息传播领域有很好的应用前景。

目前，很多人工电磁超表面结构可以实现对电磁波幅度的调制，但是考虑到调制带宽和调制幅度等因素，它们的调制结果并不能完全令人满意，其调制幅度和带宽仍有着很大的提升空间。例如，2012年Sensale-Rodriguez等在NANO LETTERS期刊(2012,12(9):4518-4522.)上发表了“Extraordinary Control of Terahertz Beam Reflectance inGraphene Electro-absorption Modulators”，论文中采用电调谐单层石墨烯的的方法实现了反射式太赫兹波幅度调制器的设计，调制器的表面结构仅由一片石墨烯薄膜构成，该结构克服了幅度调制范围小的问题，但是该调制器的相对工作带宽为10％，调制带宽比较窄。2014年David S.Jessop等在American Chemical Society期刊(2014,8(3):2548-2554.)发表了“Low-bias terahertz amplitude modulator based on split-ringresonators and graphene”，论文中采用开口谐振环与石墨烯叠加的复合结构，通过调节超材料偏压，动态调制反射波强度，但是该调制器的调制深度仅为18％，幅度调制范围小，且调制带宽低于20％，相对工作带宽很窄，这将限制这种调制器的适用范围，实用性不够好。

随着基于人工超表面的调制器在无线通信以及电磁隐身中的应用越来越广泛，这就要求这种调制器具备更加简单的结构、便捷的调制方式以及更好的调制效果。而现有技术设计的这类调制器一方面调制带宽较窄，难以满足宽频带范围的调制；另一方面其调制方式不够便捷灵活，幅度调制范围很小，极大影响了调制效果。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种基于石墨烯的人工超表面电磁波幅度调制器。

本发明是基于石墨烯的人工超表面电磁波幅度调制器，包括直流电源和由上而下依次层叠的频率选择表面、介质基板和反射板，频率选择表面是呈周期排列的金属表面结构，其特征在于，所述介质基板为三层结构，在第二介质层与反射板之间设有相对介电常数小于3的第三介质层；频率选择表面的金属表面结构由m×n个十字形周期单元构成，其中m≥2，n≥2，每个十字形单元的中心均为金属贴片，金属贴片的中心嵌入石墨烯薄膜，金属贴片的上下两侧连有完全相同的金属枝节；频率选择表面中的每一行通过水平金属细导线将整行中所有单个十字形单元串接成一体，并且每一行用于串接所有单元的水平金属细导线末端均连接到同一个电极进行馈电；直流电源的正极加载到每一行水平金属细导线末端连接的电极上，负极加载到第二介质层表面的电极上，直流电源加载的电压间接控制调制器的调制幅度在高反射和低反射之间变化。

本发明使用石墨烯和超材料的复合结构，以实现对自由空间电磁波反射的大幅度和宽带动态调制。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明仅使用一个直流电源即对每行所有单元进行馈电，调制更加便捷，改变直流电源的电压值可间接控制调制器的反射幅度在高反射和低反射之间大幅度变化，幅度调制范围可达到26％～78％。

2.本发明以石墨烯薄膜代替集总元件，结构更加简洁，通过调控偏置电压改变石墨烯的表面阻抗，使得调制器的整体阻抗和自由空间阻抗相匹配，极大地展宽了调制带宽，相对工作带宽可达到40％以上，同时能够更加稳定地对电磁波反射幅度进行调制。

3.本发明结合了相对介电常数很小的介质层，避免仅使用相对介电常数较高介质引起的窄带问题，展宽了调制带宽。

4.本发明采用电导率高于普通金属的反射板，减小了调制器对电磁波的透射。

附图说明

图1为本发明实施例的整体结构示意图；

图2为本发明实施例采用的频率选择表面的结构示意图；

图3为本发明实施例采用的石墨烯薄膜在不同表面阻抗下的反射系数仿真曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步描述：

实施例1

由于基于人工超表面的调制器在无线通信以及电磁隐身中的应用越来越广泛，对于调制器的结构、调制方式以及调制效果也就有了更高的要求。而现有技术设计的此类调制器的调制带宽窄，调制方式不够灵活且幅度调制范围小，极大影响了调制效果。

针对现有技术的缺陷，本发明经过实验与研究提出一种基于石墨烯的人工超表面电磁波幅度调制器，本发明包括直流电源2和由上而下依次层叠的频率选择表面4、介质基板3和反射板1，频率选择表面4是呈周期排列的金属表面结构，参见图1，本发明介质基板3为三层结构，在第二介质层32与反射板1之间设有相对介电常数小于3的第三介质层33；频率选择表面4的金属表面结构由m×n个十字形周期单元构成，其中m≥2，n≥2，每个十字形单元的中心均为金属贴片41，金属贴片41的中心嵌入石墨烯薄膜42，金属贴片41的上下两侧连有完全相同的金属枝节43；金属贴片41的左右两侧为水平金属细导线44，也就是说频率选择表面4中的每一行通过水平金属细导线44将整行中所有单个十字形单元串接成一体，并且每一行用于串接所有单元的水平金属细导线44末端均连接到同一个电极进行馈电；直流电源2的正极加载到每一行水平金属细导线44末端连接的电极上，负极加载到第二介质层32表面的电极上，直流电源2加载的电压间接控制调制器的调制幅度在高反射和低反射之间变化。

本发明结构简单，采用特殊的十字形表面和多层介质相组合的结构，以石墨烯薄膜代替传统的集总元件，通过调控直流电源改变石墨烯的表面电导率，能更加便捷、稳定地对电磁波反射幅度进行宽带调制；仅使用一个直流电源即对每行所有单元进行馈电，改变直流电源的电压值，间接控制调制器的反射幅度在高反射和低反射之间大幅度变化。本发明加入相对介电常数很小的介质，解决了由于相对介电常数过大引起的调制带宽过窄的问题；同时使用电导率非常高的金属底板，减小了调制器对于电磁波的透射。

实施例2

基于石墨烯的人工超表面电磁波幅度调制器的总体构成和具体结构同实施例1，参见图2，嵌有石墨烯薄膜42的金属贴片41的具体结构为金属贴片41为金属矩形环，金属矩形环的中心缝隙处嵌有石墨烯薄膜42；石墨烯薄膜42的宽度w₃大于等于金属贴片41外圈宽度w₁的1/3。

本发明在传统的金属贴片结构中嵌入石墨烯薄膜，用石墨烯薄膜取代传统的集总元件，结构更加简洁，调制过程更加便捷、稳定。

实施例3

基于石墨烯的人工超表面电磁波幅度调制器的总体构成和具体结构同实施例1-2，金属贴片41上下两侧连有两个金属枝节43，具体结构为上下两个金属枝节43完全相同且均为矩形金属枝节，矩形金属枝节43的宽度w₂与金属贴片41外圈宽度w₁相近。

本发明中矩形金属枝节43连接在嵌有石墨烯薄膜42的金属贴片41的上下两侧，石墨烯薄膜42的宽度w₃大于等于金属贴片41外圈宽度w₁的1/3，矩形金属枝节43的宽度w₂与金属贴片41外圈宽度w₁相接近，所谓接近指在数值上相等或约等，约等时保证误差控制在一定范围内。本例中控制矩形金属枝节43宽度w₂与金属贴片41的外圈宽度w₁之间的误差在±0.1mm以内。

本例中石墨烯薄膜42的宽度w₃＝0.1mm，金属贴片41的外圈宽度w₁＝0.3mm，两个完全相同的矩形金属枝节43均宽w₂＝0.3mm。

结合实施例2和实施例3，本发明使用嵌有石墨烯薄膜的金属贴片结构，通过结构参数的设计，调控直流电源，改变石墨烯的电导率，实现电磁波反射幅度的宽带调制。用石墨烯薄膜代替传统的集总元件使得结构简洁，能够更加便捷、稳定地对电磁波反射幅度进行大范围调制。

实施例4

基于石墨烯的人工超表面电磁波幅度调制器的总体构成和具体结构同实施例1-3，反射板1的电导率高于普通金属的电导率，金属电导率σ与趋肤深度δ之间的关系表达式为：

其中，f为工作频率，μ为磁导率，σ为电导率，δ为趋肤深度。由(1)式可知，电导率越大，相应的趋肤深度越小，趋肤深度越小，电磁波大部分能量就会集中于金属表面的薄层内，即对电磁波有很好的屏蔽作用。

本例中反射板1的电导率σ＝4.1×10⁷S/m，高于普通金属的电导率，普通金属的电导率如铝的电导率σ＝3.8×10⁷S/m，因此反射板1的趋肤深度小于普通金属的趋肤深度，减小了调制器对于电磁波能量的透射。

本例中石墨烯薄膜42的宽度w₃＝0.1mm，金属贴片41的外圈宽度w₁＝0.25mm，连接在金属贴片41上下两侧的两个完全相同的矩形金属枝节43均宽w₂＝0.35mm。

实施例5

基于石墨烯的人工超表面电磁波幅度调制器的总体构成和具体结构同实施例1-4，本发明介质基板3的第一介质层31为纳米级厚度的介质，能承受强直流电压；第二介质层32为高掺杂介质，能够减少电磁波通过该材料时的反射。本发明加入相对介电常数小于3的第三介质层33，中和第二介质层32的高相对介电常数值，展宽了调制带宽。实践也证明本发明使用第三介质层33能够解决通常情况下相对介电常数过大引起的带宽过窄的问题。

本例中第一介质层31采用相对介电常数ε_r1＝3.9的纳米级厚度材料，第二介质层32采用相对介电常数ε_r2＝11.7的高掺杂材料，第三介质层33采用相对介电常数ε_r3＝2.35的材料，其相对介电常数远小于第二介质层32的相对介电常数。

本例中石墨烯薄膜42的宽度w₃＝0.1mm，金属贴片41的外圈宽度w₁＝0.27mm，金属贴片41上下侧连有的两个矩形金属枝节43均宽w₂＝0.3mm。

通过调整石墨烯薄膜42、金属贴片41、矩形金属枝节43的长宽值以及使用不同材料的第三介质层33，改变整体结构的阻抗匹配状态，恰当地调整结构参数能构展宽调制带宽并改善幅度调制效果。

实施例6

基于石墨烯的人工超表面电磁波幅度调制器的总体构成和具体结构同实施例1-5，第三层介质层33为相对介电常数ε_r3＝1空气介质层。使用空气层作为介质，一方面空气相比其他介质具有更小的相对介电常数且对电磁波损耗很小，可以用于展宽工作带宽；另一方面使用空气作为介质易于加工制造且更加经济实惠。

下面给出一个更加详细的例子对本发明进一步说明。

实施例7

基于石墨烯的人工超表面电磁波幅度调制器的总体构成和具体结构同实施例1-6，本发明包括直流电源2和由上而下依次层叠的频率选择表面4、介质基板3和反射板1，频率选择表面4是呈周期排列的金属表面结构，参见图1，本发明的介质基板3为三层结构，在第二介质层32与反射板1之间设有相对介电常数小于3的第三介质层33；参见图2，本例中频率选择表面4的金属表面结构由3×3个十字形周期单元构成，此单元数仅用于示意图作为参考，在实际操作中，频率选择表面4的金属表面单元数按实际需求可大于3×3的数量甚至多至无限个单元，形成一个无限大频率选择表面，因此本发明也可根据需要对周期表面做更大规模的扩展。每个十字形单元的中心均为嵌有石墨烯薄膜42的金属贴片41，金属贴片41的上下两侧连有完全相同的两个金属枝节43；每一行通过水平金属细导线44将整行中所有单个十字形单元串接成一体，并且每一行用于串接所有单元的水平金属细导线44末端均连接到同一个电极进行馈电；直流电源2的正极加载到每一行水平金属细导线44末端连接的电极上，负极加载到第二介质层32表面的电极上，直流电源2加载的电压间接控制调制器的反射幅度在高反射和低反射之间变化。

本发明直流电源2，用于调整石墨烯薄膜42的表面电导率。石墨烯薄膜42的表面电导率σ_s与直流电源2电压V_g之间的关系用下列式子得出：

其中，μ_c为化学势，t_s为二氧化硅材料的厚度，e为电子电荷量，σ_s为石墨烯薄膜的表面电导率，R_s为石墨烯薄膜表面电阻率的实部，X_s为石墨烯薄膜表面电阻率的虚部，为约化普朗克常量，k_B为玻尔兹曼常数，Τ为温度，ε_r为介质板二氧化硅材料的相对介电常数，ε₀为真空中的介电常数，Γ为电子散射率，ω为频率，V_g为直流电源电压，v_f为费米能级。直流电源2可以在石墨烯薄膜42和第二介质层32之间产生一个竖直向下的电场，通过调整直流电源2的电压V_g，改变电场的强弱来调控石墨烯薄膜42的化学势μ_c，导致石墨烯薄膜42表面电导率σ_s随之发生变化，由(4)式可知，石墨烯薄膜42的表面电阻率随石墨烯薄膜42的表面电导率的变化而变化，进而改变了整个调制器的输入阻抗与自由空间阻抗的匹配程度，实现反射波幅度的动态调制。也就是说直流电源2加载的电压可以间接控制调制器的调制幅度在高反射和低反射之间变化。

本例中反射板1，采用电导率σ＝4.1×10⁷S/m的金材料，不同电导率的金属材料均可作为反射板，区别在于不同金属对电磁波透射的程度不同。

第一介质层31,采用相对介电常数ε_r1＝3.9的二氧化硅材料，板厚h₁＝300nm。

第二介质层32，采用相对介电常数ε_r2＝11.7的高掺杂硅材料，板厚h₂＝0.3mm。

第三介质层33，采用相对介电常数ε_r3＝1的空气材料，板厚h₃＝0.5mm。

参见图2，频率选择表面4，其周期a＝3.6mm。十字形单元的中心金属贴片41外圈长l₁＝1.9mm，宽w₁＝0.3mm，金属贴片41上下侧连有两个完全相同的矩形金属枝节43均长l₂＝0.8mm，宽w₂＝0.2mm；金属贴片41中心缝隙处的石墨烯薄膜42，可等效为一个电阻，其阻值R可以用以下的公式估算得到：

其中，S是单元中设有石墨烯薄膜的金属贴片的表面积，且S＝a²,a是每个单元的周期，A是石墨烯薄膜的表面积，石墨烯薄膜42长l₃＝1.7mm，宽w₃＝0.1mm；本发明中金属贴片41的左右两端为连接相邻十字形单元的水平金属细导线44，每一行中均用水平金属细导线44串接所有十字形单元并连接到同一电极，水平金属细导线44长l₄＝0.85mm，宽w₄＝0.1mm。频率选择表面4的整体输入阻抗虚部与介质基板3的整体输入阻抗虚部在相对应的频段表现出相同(相反)的阻抗特性，进而两者虚部相互叠加(抵消)，使得整个结构的输入阻抗与自由空间阻抗失配(匹配)，从而反射电磁波的幅度很大(很小)。对频率选择表面4的结构参数进行调整，例如调整金属贴片41的环长和环宽值、上下矩形金属枝节43的长宽值以及石墨烯薄膜42的表面阻抗值，可以增大调制器的幅度调制范围并展宽调制带宽。

下面通过仿真和实验对本发明的技术效果进行验证性说明。

实施例7

基于石墨烯的人工超表面电磁波幅度调制器的总体构成和具体结构同实施例1-6。

仿真条件：

利用商业仿真软件HFSS_15.0对本发明基于石墨烯的人工超表面电磁波幅度调制器的反射系数进行仿真。

仿真结果：

参见图3，图3中给出了石墨烯薄膜42的表面阻抗分别为500Ω/sq和50Ω/sq两种情况下调制器的反射系数。当石墨烯薄膜42的表面阻抗为500Ω/sq，调制器的反射系数S₁₁≤-11.6dB；当石墨烯薄膜42的表面阻抗为50Ω/sq，调制器的反射系数S₁₁≥-2.1dB。当石墨烯薄膜42的表面阻抗在500Ω/sq～50Ω/sq之间变化，调制器的反射系数在-11.6dB～-2.1dB之间变化，-10dB的反射系数对应的调制器的相对工作带宽为43.3％。由于使用了嵌有石墨烯薄膜的十字形表面结构，改变石墨烯薄膜的表面阻抗能够改变调制器的整体输入阻抗，使调制器的输入阻抗与自由空间阻抗匹配或者失配，对应到反射幅度就是呈现低反射幅度状态与高反射幅度状态，实现了调制幅度由低到高的调谐且相对工作带宽较宽，调谐过程便捷、灵活。

以上仿真结果说明，本发明的相对工作带宽大于40％，工作带宽内幅度的调制范围为26％～78％，在保证工作带宽的同时反射波幅度调制变化范围更大。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

综上所述，本发明提出一种石墨烯的人工超表面电磁波幅度调制器，主要解决现有电磁波幅度调制器调制范围小、调制带宽窄的技术问题，包括直流电源和由上而下依次层叠的频率选择表面、三层介质基板和反射板；在第二介质层与反射板间设有相对介电常数小于3的介质层，展宽了调制带宽；频率选择表面由m×n个十字形周期单元构成，其中m≥2，n≥2，十字形单元的中心为嵌有石墨烯薄膜的矩形环金属贴片，矩形环金属贴片上下连有金属枝节；水平金属细导线将整行单个十字形单元串接一体。本发明结构简单，采用嵌入石墨烯薄膜的金属贴片使调制带宽更宽且反射波调制幅度更大；使用电导率高的反射板，减小了调制器对电磁波的透射。适用于主动电磁隐身和电光开关设备。

Claims (5)

1.基于石墨烯的人工超表面电磁波幅度调制器，包括直流电源(2)和由上而下依次层叠的频率选择表面(4)、介质基板(3)和反射板(1)，频率选择表面(4)是呈周期排列的金属表面结构，其特征在于，所述介质基板(3)为三层结构，在第二介质层(32)与反射板(1)之间设有相对介电常数小于3的第三介质层(33)；频率选择表面(4)的金属表面结构由m×n个十字形周期单元构成，其中m≥2，n≥2，每个十字形单元的中心均为金属贴片(41)，金属贴片(41)的中心嵌入石墨烯薄膜(42)，金属贴片(41)的上下两侧连有完全相同的金属枝节(43)；频率选择表面(4)中的每一行通过水平金属细导线(44)将整行中所有单个十字形单元串接成一体，并且每一行用于串接所有单元的水平金属细导线(44)末端均连接到同一个电极进行馈电；直流电源(2)的正极加载到每一行水平金属细导线(44)末端连接的电极上，负极加载到第二介质层(32)表面的电极上，直流电源(2)加载的电压间接控制调制器的调制幅度在高反射和低反射之间变化。

2.根据权利要求1所述的基于石墨烯的人工超表面电磁波幅度调制器，其特征在于，所述嵌有石墨烯薄膜(42)的金属贴片(41)的具体结构为金属贴片(41)为金属矩形环，金属矩形环的中心缝隙处嵌有石墨烯薄膜(42)；石墨烯薄膜(42)的宽度w₃大于等于金属贴片(41)外圈宽度w₁的1/3。

3.根据权利要求1所述的基于石墨烯的人工超表面电磁波幅度调制器，其特征在于，所述金属贴片(41)上下两侧连有的两个金属枝节(43)，具体结构为上下两个金属枝节(43)完全相同且均为矩形金属枝节，矩形金属枝节(43)的宽度w₂与金属贴片(41)外圈宽度w₁相近。

4.根据权利要求1所述的基于石墨烯的人工超表面电磁波幅度调制器，其特征在于，所述介质基板(3)的第一介质层(31)为纳米级厚度的介质；第二介质层(32)为高掺杂介质。

5.根据权利要求1所述的基于石墨烯的人工超表面电磁波幅度调制器，其特征在于，所述反射板(1)的电导率高于普通金属的电导率。