CN107369918A - 基于石墨烯与超表面的工作带宽可调吸波器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于石墨烯与超表面的工作带宽可调吸波器，主要解决现有吸波器带宽不可调且吸波性能不好的技术问题，包括直流电源和由上而下依次层叠的频率选择表面、三层介质基板和金属底板；第二介质层与金属底板间加设空气介质，展宽了吸波带宽；频率选择表面由m×n个哑铃形周期单元构成，哑铃形单元上下端均为用竖直金属导线连接的设有石墨烯薄膜夹层的金属贴片，水平金属细导线贯穿整行单个哑铃单元串接一体。本发明结构简单，使用设有石墨烯薄膜夹层的金属贴片吸波性能较好，能更加便捷地调谐吸波带宽；用电导率高的金属底板，减小了吸波器对电磁波透射。适用于电磁抗干扰及现代通信系统。

Description

基于石墨烯与超表面的工作带宽可调吸波器

技术领域

本发明属于吸波材料技术领域，主要涉及带宽可调吸波器，具体是一种基于石墨烯与超表面的工作带宽可调吸波器，可用于电磁抗干扰及现代通信系统。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子构成的二维结构，它具有很多优异特性，例如最薄材料、最硬材料、极高的载流子迁移率、具有柔韧性和透光性、电导率可以通过外部电场和磁场进行调节等。这些优良特性可以用来设计各种新型纳米器件或者透明导电材料，例如透明电极，光学调制器，极化器，等离子器件，光子探测器，超棱镜和吸波器件等，是一种性能可调、极富潜力的新材料。

电磁吸波器特指能够将入射的电磁波吸收并把其中的电磁能量转化为热能或者其它形式的能量的电磁器件，在很多领域的应用非常广泛。传统的吸波器吸波带宽相对较窄，如Salisbury屏吸波器。为了拓展吸波带宽，研究人员对其结构进行改进，顶部的周期性图案采用导电薄膜，中间为介质层，底板为金属材料，可以实现宽带吸波的效果。频率选择表面构成的吸波器虽然具有较好的吸波性能，但是吸波特性不能随着电磁环境改变而改变，因此随后出现了可调型吸波器，比如利用石墨烯表面电导率可调的性质，通过改变偏置电压，进而实现吸波频率可调的特性。目前，很多可调吸波器虽然能实现吸波频率的动态调节，但是很少有专注于将宽带吸波转换成窄带吸波的可调吸波器，同时考虑到工作带宽转换效果以及吸波性能，它们的可调结果并不能完全令人满意。例如，2014年Yin Zhang等在Optical Society ofAmerica期刊(2014,22(19):22743.)上发表了“Graphene BasedTunable Metamaterial Absorber and Polarization Modulation in TerahertzFrequency”，论文中采用上层的纯十字形金属与下层的双层石墨烯条带相结合的方法实现了太赫兹吸波频率连续可调的设计，但是该吸波器的工作带宽不可调且其整体吸波带宽比较窄。2015年GangYao等在IEEE Photonics Journal期刊(2015,8(1):1-8.)发表了“Dynamically Electrically Tunable BroadbandAbsorber Based on Graphene AnalogofElectromagnetically Induced Transparency”，论文中采用基于透明电磁感应石墨烯等离子体类似物(GPIT)的超材料结构，利用该结构的特殊机制实现太赫兹宽带吸波以及工作带宽可调谐的功能，但是该吸波器由宽带0.5THz，吸波率为80％，调至窄带0.3THz，吸波率为70％，带宽变化不明显且工作带宽内对应的吸波效果不够好。

随着主动可调吸波器在现代通信中的应用越来越广泛，这就要求它对环境变化的自适应性更强，并且具备全方面性能可调特点，而现有技术一方面用于实现吸波率主动调谐的吸波结构，其调谐不够灵活稳定；另一方面用于实现吸波带宽可调的结构很少且调谐效果不好，同时缺少吸波器自身的完美吸波效果。

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与超表面的工作带宽可调吸波器。

本发明是基于石墨烯与超表面的工作带宽可调吸波器，包括直流电源和由上而下依次层叠的频率选择表面、介质基板和金属底板，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，在第二介质层与金属底板之间设有相对介电常数远小于第二介质层的第三介质层；频率选择表面的金属表面结构由m×n个哑铃形周期单元构成，其中m≥2，n≥2，每个哑铃形单元的上下端部均为设有石墨烯薄膜夹层的金属贴片，哑铃形单元上下两金属贴片之间通过竖直金属导线连接从而形成一个整体，每一行通过水平金属细导线贯穿将整行中所有单个哑铃单元串接成一体并且每一行贯穿整行的水平金属细导线末端均连接到同一个电极进行馈电。

本发明使用石墨烯和超材料的复合结构，以实现吸波工作带宽的便捷动态可调以及工作带宽内的完美吸波特性。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明使用设有石墨烯薄膜夹层的哑铃形表面结构，用石墨烯薄膜代替传统的集总元件使得整体的结构更加简单，工作带宽内吸波性能较好，在窄带和宽带的工作带宽内吸波率均可以达90％以上，同时调谐过程更加便捷和灵活。

2.本发明利用直流电源调控石墨烯的表面电导率，间接控制吸波带宽的改变，实现吸波带宽在宽带和窄带之间显著变化，吸波带宽的变化范围可以达10.4GHz～1.5GHz。

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过高介质层引起的窄带问题，实现了宽带吸波。

4.本发明采用电导率高于普通金属的金属底板，减小了吸波器对电磁波的透射。

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，对本发明作详细描述：

实施例1

可调吸波器在现代通信中日益广泛的应用使得设计多方面性能可调的吸波器成为了一项迫切需求，而现有技术设计的吸波器一方面调谐不够灵活稳定；另一方面用于带宽可调的吸波结构很少且调谐效果不好，同时工作带宽内吸波效果不完美。

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与超表面的工作带宽可调吸波器，本发明包括直流电源1和由上而下依次层叠的频率选择表面3、介质基板4和金属底板2，频率选择表面3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4为三层结构，在第二介质层42与金属底板2之间设有相对介电常数远小于第二介质层42的第三介质层43；频率选择表面3的金属表面结构由m×n个哑铃形周期单元构成，其中m≥2，n≥2，每个哑铃形单元的上下端部均为设有石墨烯薄膜32夹层的金属贴片31，哑铃形单元上下两金属贴片31之间通过竖直金属导线33连接从而形成一个整体，竖直金属导线33的左右两端为连接相邻哑铃形单元进而加载偏置电压的水平金属细导线34，每一行通过水平金属细导线34贯穿将整行中所有单个哑铃单元串接成一体并且每一行贯穿整行的水平金属细导线34末端均连接到同一个电极进行馈电。

本发明结构简单，使用设有石墨烯薄膜夹层的哑铃形表面结构，用石墨烯薄膜代替传统的集总元件使得整体的结构更加简单，工作带宽内吸波性能较好且调谐过程更加便捷和灵活；利用直流电源调控石墨烯的表面电导率，间接控制吸波器的吸波带宽在宽带和窄带之间显著变化。本发明加入相对介电常数很小的介质，解决了由于介电常数过大引起的吸波带宽过窄的问题；同时使用电导率非常高的金属底板，减小了吸波器对于电磁波的透射。

实施例2

基于石墨烯与超表面的工作带宽可调吸波器的总体构成和具体结构同实施例1，参见图2，本发明中设有石墨烯薄膜32夹层的金属贴片31，具体结构为两个完全相同的金属窄带，中间为石墨烯薄膜32，石墨烯薄膜32宽度w₃为金属窄带宽度w₁的2倍至5倍，石墨烯薄膜32长度l₃和金属窄带长度l₁相等，金属窄带的长度l₁与竖直金属导线33长度l₂相比拟，所谓比拟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。本例中控制金属窄带长度l₁与竖直金属导线33长度l₂之间的误差在±0.2mm以内。

本例中石墨烯薄膜32的宽度(w₃＝0.1mm)为金属窄带宽度(w₁＝0.05mm)的2倍，金属窄带长l₁＝0.8mm，竖直金属导线33长l₂＝0.7mm。

本发明使用设有石墨烯薄膜夹层的金属贴片结构，通过改变偏置电压，调整石墨烯的化学势，进而改变石墨烯的电导率，实现吸波带宽由宽到窄的明显变化。用石墨烯薄膜代替传统的集总元件使得整体的吸波结构更加简单，工作带宽内吸波性能较好，同时调谐过程也更加便捷和灵活。

实施例3

基于石墨烯与超表面的工作带宽可调吸波器的总体构成和具体结构同实施例1-2，本发明金属底板2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。

本例中金属底板2的电导率σ＝4.1×10⁷S/m，高于普通金属的电导率，普通金属如铝的电导率σ＝3.8×10⁷S/m，因此金属底板2的趋肤深度小于普通金属的趋肤深度，减小了吸波器对于电磁波能量的透射。

本例中石墨烯薄膜32的宽度(w₃＝0.15mm)为金属窄带宽度(w₁＝0.05mm)的3倍，金属窄带长l₁＝0.6mm，竖直金属导线33长l₂＝0.7mm。

实施例4

基于石墨烯与超表面的工作带宽可调吸波器的总体构成和具体结构同实施例1-3，介质基板4的第一介质层41为表面光滑且厚度为纳米级的超薄介质，能承受强直流电压；第二介质层42为高掺杂介质，能够损耗入射到其中的电磁波，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远小于第二介质层42的第三介质层43，中和了第二介质层42的高相对介电常数值，展宽了吸波带宽，实践也证明本发明使用第三介质层43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41采用相对介电常数ε_r1＝3.9的超薄材料，第二介质层42采用相对介电常数ε_r2＝11.7的高掺杂材料，第三介质层43采用相对介电常数ε_r3＝2.2的材料，其相对介电常数远小于第二介质层42的相对介电常数。

本例中石墨烯薄膜32的宽度(w₃＝0.25mm)为金属窄带宽度(w₁＝0.05mm)的5倍，金属窄带长l₁＝0.8mm，竖直金属导线33长l₂＝0.8mm。

通过调整石墨烯薄膜32、金属窄带、竖直金属导线33的长宽值以及使用不同材料的第三介质层43，使频率选择表面3和介质基板4各自的输入导纳虚部在相同的频段呈现相同相加或相反相消，进而改变整体结构的阻抗匹配状态，对结构参数进行合适的调整能够调谐吸波带宽同时改善吸波效果。

实施例5

基于石墨烯与超表面的工作带宽可调吸波器的总体构成和具体结构同实施例1-4，本例中第三介质层43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，可以用于扩展工作带宽；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6

基于石墨烯与超表面的工作带宽可调吸波器的总体构成和具体结构同实施例1-5，本发明包括直流电源1和由上而下依次层叠的频率选择表面3、介质基板4和金属底板2，频率选择表面3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4为三层结构，在第二介质层42与金属底板2之间设有相对介电常数远小于第二介质层42的第三介质层43。参见图2，本例中频率选择表面3的金属表面结构由4×3个哑铃形周期单元构成，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3的金属表面单元数按实际需求可大于4×3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，本发明也可根据需要对周期表面做更大规模的扩展。每个哑铃形单元的上下端部均为设有石墨烯薄膜32夹层的金属贴片31，哑铃形单元上下两金属贴片31之间通过竖直金属导线33连接从而形成一个整体，竖直金属导线33的左右两端为连接相邻哑铃形单元进而加载偏置电压的水平金属细导线34，每一行通过水平金属细导线34贯穿将整行中所有单个哑铃单元串接成一体，并且每一行贯穿整行的水平金属细导线34末端均连接到同一个电极进行馈电。

本发明直流电源1，用于调整石墨烯薄膜32的表面电导率。石墨烯薄膜32表面电导率σ_s的表达式为：

其中，μ_c为化学势，e为电子电荷量，σ_s为石墨烯薄膜的表面电导率，为约化普朗克常量，k_B为玻尔兹曼常数，Τ为温度，Γ为电子散射率，ω为频率。而化学势μ_c与电压V_g的关系表达式为：

其中t_s为二氧化硅材料的厚度，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，V_g为直流电源电压，v_f为费米能级。由(2)和(3)式即可得出电压V_g与石墨烯电导率σ_s的关系，同时石墨烯电导率σ_s与其表面电阻率Z_s的关系表达式为：

其中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。由(2)、(3)、(4)式可知，当直流电源1加载的电压V_g变化到某个值时，相对应地，石墨烯的表面电阻率Z_s也变化到某个值，此时本发明吸波器的吸波带宽由原先的宽带状态调谐到窄带状态，实现吸波带宽在宽带和窄带之间显著变化，同时本发明的调谐过程也更加便捷和灵活。

本发明金属底板2，采用电导率σ＝4.1×10⁷S/m的金材料。

第一介质层41,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42，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43，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3，其周期p＝3.2mm。哑铃形单元上下端部为设有石墨烯薄膜32夹层的金属贴片31，其中两个完全相同的金属窄带均长l₁＝0.7mm，宽w₁＝0.05mm，石墨烯薄膜32长l₃＝0.7mm，宽w₃＝0.2mm，连接上下金属贴片31的竖直金属导线33长l₂＝0.7mm，宽w₂＝0.1mm；石墨烯薄膜32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32上的电荷状态会随费米能级v_f的变化而变化，进而石墨烯薄膜32的导电性发生改变，由(4)式可知石墨烯的表面电阻率Z_s会随石墨烯表面电导率σ_s的变化而变化，因此通过在一定范围内调整偏置电压来调控石墨烯薄膜32的表面电阻率，实现将吸波器的工作带宽从宽带转变为窄带。

本发明中连接上下金属贴片31的竖直金属导线33的左右两端为连接相邻哑铃形单元的水平金属细导线34，每一行中均用水平金属细导线34串接所有哑铃形单元并连接到同一电极，水平金属细导线34长l₄＝1.55mm，宽w₄＝0.1mm。通过调整频率选择表面3的结构参数，比如调整金属贴片31的长宽值、竖直金属导线33的长宽值以及石墨烯薄膜32的表面阻抗值，使频率选择表面3的整体输入导纳虚部在相邻两个频段分别呈感性和容性，而背面覆金的介质基板4，其整体输入导纳的虚部在相对应的频段呈容性和感性，二者相反相消，从而实现整体结构与自由空间阻抗匹配，吸波带宽呈现宽带状态，吸波特性也得到改善，反之则阻抗失配，吸波带宽呈现窄带状态。

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

基于石墨烯与超表面的工作带宽可调吸波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与超表面的工作带宽可调吸波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32的表面阻抗分别为50Ω/sq和500Ω/sq两种情况下吸波器的反射系数。以-10dB时的反射系数为指标界线，当石墨烯薄膜32的表面阻抗为500Ω/sq，吸波器的工作带宽为10.4GHz；当石墨烯薄膜32的表面阻抗为50Ω/sq，吸波器的工作带宽为1.5GHz。当石墨烯薄膜32的表面阻抗在500Ω/sq～50Ω/sq之间变化，本发明与-10dB的反射系数相对应的工作带宽在10.4GHz～1.5GHz之间变化。由于使用了设有石墨烯薄膜夹层的哑铃形表面结构，在工作带宽内吸波器的吸波性能较好，当石墨烯薄膜的表面阻抗改变，吸波器的整体输入阻抗与自由空间阻抗之间呈现匹配与失配状态，对应到吸波带宽就是呈现宽带状态与窄带状态，实现了吸波带宽由宽带到窄带的调谐且带宽变化范围明显，调谐过程便捷、灵活。

以上仿真结果说明，本发明工作带宽的调谐变化值大于8GHz，在工作带宽内吸波率均大于90％，与现有技术相比，在保证工作带宽内吸波率的同时吸波带宽由宽到窄的变化更加显著。

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，本发明提出一种基于石墨烯与超表面的工作带宽可调吸波器，主要解决现有吸波器带宽不可调且吸波性能不好的技术问题，包括直流电源和由上而下依次层叠的频率选择表面、三层介质基板和金属底板；第二介质层与金属底板间加设空气介质，展宽了吸波带宽；频率选择表面由m×n个哑铃形周期单元构成，其中m≥2，n≥2，哑铃形单元的上下端均为用竖直金属导线连接的设有石墨烯薄膜夹层的金属贴片，水平金属细导线贯穿整行单个哑铃单元串接一体。本发明结构简单，使用设有石墨烯薄膜夹层的金属贴片，在工作带宽内吸波性能较好，能更加便捷稳定地调谐吸波带宽在宽带和窄带之间变化；用电导率高的金属底板，减小了吸波器对电磁波透射。适用于电磁抗干扰及现代通信系统。

Claims (4)

1.基于石墨烯与超表面的工作带宽可调吸波器，包括直流电源(1)和由上而下依次层叠的频率选择表面(3)、介质基板(4)和金属底板(2)，频率选择表面(3)是呈周期排列的金属表面结构，其特征在于，所述介质基板(4)为三层结构，在第二介质层(42)与金属底板(2)之间设有相对介电常数远小于第二介质层(42)的第三介质层(43)；频率选择表面(3)的金属表面结构由m×n个哑铃形周期单元构成，其中m≥2，n≥2，每个哑铃形单元的上下端部均为设有石墨烯薄膜(32)夹层的金属贴片(31)，哑铃形单元上下两金属贴片(31)之间通过竖直金属导线(33)连接从而形成一个整体；每一行通过水平金属细导线(34)贯穿将整行中所有单个哑铃单元串接成一体，并且每一行贯穿整行的水平金属细导线(34)末端均连接到同一个电极进行馈电。

2.根据权利要求1所述的基于石墨烯与超表面的工作带宽可调吸波器，其特征在于，所述设有石墨烯薄膜(32)夹层的金属贴片(31)，具体结构为两个完全相同的金属窄带，中间为石墨烯薄膜(32)，石墨烯薄膜(32)宽度w₃为金属窄带宽度w₁的2倍至5倍之间，石墨烯薄膜(32)长度l₃和金属窄带长度l₁相等，金属窄带长度l₁与竖直金属导线(33)长度l₂相比拟。

3.根据权利要求1所述的基于石墨烯与超表面的工作带宽可调吸波器，其特征在于，所述金属底板(2)的电导率高于普通金属的电导率。

4.根据权利要求1所述的基于石墨烯与超表面的工作带宽可调吸波器，其特征在于，所述介质基板(4)的第一介质层(41)为厚度为纳米级的介质；第二介质层(42)为高掺杂介质。