CN109326889B - 一种基于石墨烯的频率选择表面电磁波透射幅度调制器 - Google Patents

一种基于石墨烯的频率选择表面电磁波透射幅度调制器 Download PDF

Info

Publication number
CN109326889B
CN109326889B CN201811219427.5A CN201811219427A CN109326889B CN 109326889 B CN109326889 B CN 109326889B CN 201811219427 A CN201811219427 A CN 201811219427A CN 109326889 B CN109326889 B CN 109326889B
Authority
CN
China
Prior art keywords
graphene
frequency selective
selective surface
electromagnetic wave
amplitude modulator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201811219427.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109326889A (zh
Inventor
胡承刚
张恒
史浩飞
邵丽
杨俊�
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology of CAS
Original Assignee
Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology of CAS filed Critical Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology of CAS
Priority to CN201811219427.5A priority Critical patent/CN109326889B/zh
Publication of CN109326889A publication Critical patent/CN109326889A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109326889B publication Critical patent/CN109326889B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/0013—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices working as frequency-selective reflecting surfaces, e.g. FSS, dichroic plates, surfaces being partly transmissive and reflective
    • H01Q15/0026—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices working as frequency-selective reflecting surfaces, e.g. FSS, dichroic plates, surfaces being partly transmissive and reflective said selective devices having a stacked geometry or having multiple layers

Landscapes

  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯的频率选择表面电磁波透射幅度调制器，其包括由上而下依次层叠设置的频率选择表面、介质层和石墨烯三明治层，其中，所述石墨烯三明治层包括上层石墨烯薄膜层和下层石墨烯薄膜层，以及设置在所述上层石墨烯薄膜层和下层石墨烯薄膜层之间的离子液体层，且所述上层石墨烯薄膜层和所述下层石墨烯薄膜层上各自分别设置有接触电极，且所述上层石墨烯薄膜层和所述下层石墨烯薄膜层上的接触电极分别与电源的正极和负极相连。本发明通过将频率选择表面与石墨烯三明治结构相结合，不仅实现了对频率选择表面电磁性能的动态调控，同时降低了调控时的所需电压。

Description

一种基于石墨烯的频率选择表面电磁波透射幅度调制器
技术领域
本发明涉及目标微波电磁特征调控及雷达隐身技术领域，主要涉及电磁波空间滤波以及透射幅度的调控，具体是一种基于石墨烯的频率选择表面电磁波透射幅度调制器。
背景技术
频率选择表面是由一系列周期排列的金属结构单元构成，其形状多种多样，大致可以分为中心连接型、环形、实心型和复合单元结构。当入射电磁波频率为频率选择表面的谐振频率时，会呈现出全反射或全透射的传输特性，这种性质可使频率选择表面作为空间滤波器对入射电磁波进行调制。
目前，为了实现对电磁波的动态调控，科研人员通过机械、微机电系统、加载二极管和场效应管等方式实现对频率选择表面谐振频率的连续调控。然而，机械调控方法一般响应时间长，且机械装置复杂，不能应用于精密设备；电学调制方法通常所需元器件过多，且需要较高的电压。因此，现有的调控方式都不尽如人意。
而石墨烯是由单层碳原子以sp2杂化轨道组成的蜂窝状六边形晶格结构的材料，其电学性质可以通过外加电压或掺杂的方式进行调控，且这种调制方式结构简单、所需调制电压低，响应频段宽等优势，因此，可将频率选择表面结构与石墨烯结合起来，通过外加信号源调制石墨烯的电学性质，从而实现对入射电磁波的幅度的调制。
然而，目前基于石墨烯的电磁波幅度调制器件大多应用于太赫兹波段，而太赫兹波段在大气中的损耗很大，难以有效传播，因此调制效果较差，很难在实际器件中应用。例如，2017年Wu等，在Nanotechnology期刊(2017,28(9)：095201)发表了“Tunable terahertzreflection of graphene viaionic liquid gating”，其公开了采用双层石墨烯作为电极，中间加一层离子液体的结构，通过给两层石墨烯加电压来控制太赫兹电磁波的反射幅度。当外加电压从0V加到3V时，反射率从0.79％变化到33.4％，该结构实现了小电压对电磁波的调控作用。但其调控对象为“反射”和“吸收”，且其调控范围依然较小。2017年Balci等，在Applied Physics Letters期刊(2017,110(16):161102)发表了“Controlling phase ofmicrowaves with active graphene surfaces”，其同样公开了采用石墨烯加离子液的三明治结构，把石墨烯复合结构放置于厚度为四分之一波长的介质上，介质层下面放金属板。通过控制石墨烯两层的电压实现对入射电磁波的相位控制：当石墨烯的阻抗与空气阻抗匹配时，谐振频率处的相位改变了π。另外，申请号为CN2017CN201710523266.8的中国专利申请公开了一种基于石墨烯的人工超表面电磁波幅度调制器，以石墨烯薄膜代替集总单元，用一个直流电源对每行所有单元进行馈电，仿真了石墨烯方块电阻分别为50Ω/□和500Ω/□时的反射系数，其幅度可从26％变化到78％。
由上述可知，现有的基于石墨烯的电磁波幅度调制器件都是属于反射调控，并且需要金属底板与频率选择表面件的电磁耦合来实现选频，其调控效果及实用性很受影响。而随着目标微波特征调控以及隐身技术的发展，对结构简单、高调制能力、集成方便的频率选择表面调控器件的需求越来越迫切。因此，目前亟需一种基于石墨烯的新电磁波幅度调制器件。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明提供一种基于石墨烯的频率选择表面电磁波透射幅度调制器，其结构简单，且能够实现对频率选择表面电磁波透射幅度的动态调控。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于石墨烯的频率选择表面电磁波透射幅度调制器，其包括由上而下依次层叠设置的频率选择表面、介质层和石墨烯三明治层，其中，所述频率选择表面上的周期单元为孔径型周期单元，所述石墨烯三明治层包括上层石墨烯薄膜层和下层石墨烯薄膜层，以及设置在所述上层石墨烯薄膜层和下层石墨烯薄膜层之间的离子液体层，且所述上层石墨烯薄膜层和所述下层石墨烯薄膜层上各自分别设置有接触电极，且所述上层石墨烯薄膜层上的接触电极和所述下层石墨烯薄膜层上的接触电极分别与电源的正极和负极相连。
其中，所述介质层采用陶瓷材料或高分子材料，或柔性材料制成。
本发明的有益之处在于：
本发明公开了一种基于石墨烯的频率选择表面电磁波透射幅度调制器，其通过将频率选择表面与石墨烯三明治结构相结合，从而实现对选择表面电磁波透射幅度的动态调控，并且所需电压很低。进一步地，采用柔性材料制成介质层，使得该频率选择表面可适应于非平面结构，拓展了其应用范围。
附图说明
图1为本发明的一种基于石墨烯的频率选择表面电磁波透射幅度调制器的一实施例的流程图；
图2为图1中频率选择表面电磁波透射幅度调制器的剖面图
图3为图1的频率选择表面电磁波透射幅度调制器的结构单元参数图；；
图4为图1的频率选择表面电磁波透射幅度调制器的等效电路图；
图5为图1的频率选择表面电磁波透射幅度调制器的测试结果图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明通过将频率选择表面和石墨烯三明治结构结合起来，从而实现对频率选择表面电磁波幅度调制器的电磁性能的动态调控，并且调制所用的电压很低。
参见图1和图2，为本发明的一种基于石墨烯的频率选择表面电磁波透射幅度调制器的一实施例的结构示意图。本实施例中，该频率选择表面电磁波幅度调制器自上而下依次包括频率选择表面1、介质层2和石墨烯三明治结构。
其中，该频率选择表面1可采用金属材料制成，或者导电率大于10^6S/m的材料制成，且其厚度范围为1μm至1mm，其工作带宽范围为：0.1GHz-100GHz。本实施例中，该频率选择表面1由M×N(M，N均为大于3的自然数)个位于介质层2上的孔径型周期单元11构成。在一具体实施例中，该周期单元11采用十字型镂空金属结构，具体地，该金属结构的材料为银浆，并采用丝网印刷技术将十字型镂空金属结构印刷到介质层2上，且该频率选择表面1的单元周期a＝20mm，十字型镂空金属结构的长度b＝15mm，宽度c＝2mm，厚度d＝6μm。那么，此时，十字型镂空金属结构的谐振波长与十字型长度b的关系为：b＝λ/2，其中，λ为自由空间入射电磁波波长。
其中，该介质层2可采用透波介质，例如陶瓷材料、高分子材料，或柔性材料等材料制成。在一具体实施例中，该介质层2采用PET(Polyethylene terephthalate)制成，且其介电常数为2.25，厚度e＝5mm(当然，该介质层2也才可采用在工作带宽为0.1GHz-100GHz范围内，透波率大于90％的其他材料，且其厚度为1um-1mm)。那么，根据频率选择表面的相关理论，加载了介质层2的十字型镂空金属结构的谐振频率与介质层2的介电常数关系近似为：
Figure BDA0001834388550000051
其中，fn为十字型镂空金属结构不加介质层2时的谐振频率，εr为介质层2的相对介电常数。也即是说，该介质层能够展宽频率选择表面的工作带宽。
其中，该石墨烯三明治结构自上而下依次包括：上层石墨烯薄膜3、离子液体4和下层石墨烯薄膜5，且该上层石墨烯薄膜3和下层石墨烯薄膜5上各自分别设置有接触电极31、51，该上层石墨烯薄膜3上的接触电极31外接电源6的正极，而下层石墨烯薄膜5上的接触电极51外接电源6的负极。
本实施例中，该上层石墨烯薄膜3和下层石墨烯薄膜5均是由单层石墨烯铺设在基底上形成的，且该上层石墨烯薄膜3和下层石墨烯薄膜5在不加电压时的方块电阻范围为500Ω/□至5000Ω/□，优选地，该上层石墨烯薄膜和下层石墨烯薄膜的方块电阻为2200Ω/□。而该上层石墨烯薄膜上的接触电极和下层石墨烯薄膜上的接触电极则采用金属，或者电导率大于10^6S/m的材料制成。在一具体实施例中，该上层石墨烯薄膜3上的接触电极31和下层石墨烯薄膜5的接触电极51均采用大小为5mm*200mm的金属电极。
本实施例中，该基底也采用透波介质制成，具体地，该基底选择在工作带宽为0.1GHz-100GHz范围内，透波率大于90％的透波材料制成，且其厚度为0.05mm-1mm。在一具体实施例中，该基底采用厚度为100um的PET材料制成。
本实施例中，该离子液体4的电化学窗口范围为0-10V，厚度范围为1um-100mm。在一具体实施例中，该离子液体4采用PP13TFSI，放入厚度为100um的垫片中，并封装到上层石墨烯薄膜和下层石墨烯薄膜之间。
下面结合工作原理和等效电路来对本实施例的电磁波幅度调制器进行详细的说明。
参见图4，为上述实施例中基于石墨烯的频率选择表面电磁波幅度调制器的等效电路示意图。其中，参数Z0、Zs、Zg分别为空气阻抗、介质阻抗、石墨烯阻抗，参数e为介质层2的厚度。通过电源给石墨烯三明治结构加偏置电压，则石墨烯三明治结构内的离子液体4的正负离子由于外加电压而分离，阳离子向负极移动，阴离子向正极移动。正负分离的离子分别聚集在上层石墨烯薄膜3和下层石墨烯薄膜5表面，从而使得石墨烯阻抗Zg发生改变。也即是说，由上层石墨烯薄膜电极3——离子液体4——下层石墨烯薄膜电极5组成这种三明治结构相当于一种可调阻抗，简化之后的总阻抗为Zc，当偏置电压为0V时，Zc很高，相当于断路，透过频率选择表面的电磁波的振幅不会发生改变，开关相当于“关闭”状态，电磁波可以穿透石墨烯薄膜；当偏置电压为3.6V时，Zc很低，相当于短路，几乎没有电磁波可以穿透石墨烯薄膜，开关相当于“打开”状态。
利用矢量网络分析仪(N5234A)对基于石墨烯的频率选择表面电磁波幅度调制器进行测试。
参见图5，反映了电源6电压在0～3.6V之间时谐振频率的透射系数。当电源6的电压为0V时，谐振频率的透过率为-1.8dB；当电源6的电压为3.6V时，谐振频率的透过率为-11.98dB。电源6的电压在0V～3.6V之间变化时，谐振频率的透过率同样在-1.8dB～-11.98dB之间变化，且随着电压的升高，透过率逐步减小。因此，通过电源6给石墨烯薄膜三明治结构加电压从而改变石墨烯薄膜的阻抗，使谐振频率通过或者截止，进而实现对电磁波的动态调控。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于石墨烯的频率选择表面电磁波透射幅度调制器，其特征在于，包括由上而下依次层叠设置的频率选择表面、介质层和石墨烯三明治层，其中，所述频率选择表面上的周期单元为孔径型周期单元，所述石墨烯三明治层包括上层石墨烯薄膜层和下层石墨烯薄膜层，以及设置在所述上层石墨烯薄膜层和下层石墨烯薄膜层之间的离子液体层，所述上层石墨烯薄膜层和所述下层石墨烯薄膜层上各自分别设置有接触电极，且所述上层石墨烯薄膜层上的接触电极和所述下层石墨烯薄膜层上的接触电极与电源相连。
2.如权利要求1所述的基于石墨烯的频率选择表面电磁波透射幅度调制器，其特征在于，所述频率选择表面的工作带宽范围为：0.1GHz-100GHz。
3.如权利要求2所述的基于石墨烯的频率选择表面电磁波透射幅度调制器，其特征在于，所述频率选择表面的厚度范围为1um-1mm。
4.如权利要求3所述的基于石墨烯的频率选择表面电磁波透射幅度调制器，其特征在于，所述频率选择表面上的周期单元为十字型镂空金属结构，且所述频率选择表面的单元周期a＝20mm，而所述十字型镂空金属结构的长度b为15mm，宽度c为2mm，厚度d为6μm。
5.如权利要求2所述的基于石墨烯的频率选择表面电磁波透射幅度调制器，其特征在于，所述介质层采用陶瓷材料或高分子材料，或柔性材料制成。
6.如权利要求5所述的基于石墨烯的频率选择表面电磁波透射幅度调制器，其特征在于，所述介质层为透过率大于90％的透波材料制成，且其厚度为0.05mm-100mm。
7.如权利要求6所述的基于石墨烯的频率选择表面电磁波透射幅度调制器，其特征在于，所述介质层采用介电常数为2.25，厚度为5mm的PET。
8.如权利要求1至7中任意一项所述的基于石墨烯的频率选择表面电磁波透射幅度调制器，其特征在于，所述上层石墨烯薄膜层和所述下层石墨烯薄膜层在不加电压时的方块电阻范围为500Ω/□至5000Ω/□。
9.如权利要求1至7中任意一项所述的基于石墨烯的频率选择表面电磁波透射幅度调制器，其特征在于，所述离子液体为PP13TFSI，其电化学窗口范围为0-10V，厚度范围为1um-100mm。
10.如权利要求9所述的基于石墨烯的频率选择表面电磁波透射幅度调制器，其特征在于，所述离子液体的厚度为100um。
CN201811219427.5A 2018-10-19 2018-10-19 一种基于石墨烯的频率选择表面电磁波透射幅度调制器 Active CN109326889B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811219427.5A CN109326889B (zh) 2018-10-19 2018-10-19 一种基于石墨烯的频率选择表面电磁波透射幅度调制器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811219427.5A CN109326889B (zh) 2018-10-19 2018-10-19 一种基于石墨烯的频率选择表面电磁波透射幅度调制器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109326889A CN109326889A (zh) 2019-02-12
CN109326889B true CN109326889B (zh) 2021-03-12

Family

ID=65262045

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811219427.5A Active CN109326889B (zh) 2018-10-19 2018-10-19 一种基于石墨烯的频率选择表面电磁波透射幅度调制器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109326889B (zh)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110311193A (zh) * 2019-07-22 2019-10-08 福州大学 基于频率选择表面的双窄带选通太赫兹滤波器
CN110398180B (zh) * 2019-08-13 2022-04-26 杨婷 一种基于石墨烯超表面的反射式隐身方法
CN111987452B (zh) * 2020-09-01 2021-06-18 中国科学院光电技术研究所 一种透射/反射可切换且幅度可调的超构材料
CN112117547B (zh) * 2020-09-24 2021-12-24 哈尔滨学院 一种电压调节电磁诱导透明谐振控制器
CN112165849B (zh) * 2020-10-14 2022-05-13 南开大学 宽频可调石墨烯电磁波吸收材料及其制备方法
CN112688084B (zh) * 2020-12-17 2023-02-14 宁波大学 同时具有光学透明性和可调吸波频率的电磁吸收结构
CN113437526B (zh) * 2021-06-19 2022-07-12 西北工业大学 基于石墨烯/金属复合超表面的双带电磁波透射调制方法及器件

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107634328A (zh) * 2017-09-01 2018-01-26 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 一种石墨烯透明天线及其制备方法
CN107634347A (zh) * 2017-08-11 2018-01-26 深圳市南华子健信息技术有限公司 带阻频率选择表面结构
CN108631063A (zh) * 2018-05-02 2018-10-09 中国计量大学 一种静电驱动的太赫兹超材料调制器

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120175363A1 (en) * 2010-12-30 2012-07-12 Goji Limited Rf-based pyrolytic cleaning
CN105006652B (zh) * 2015-08-05 2018-04-17 西安电子科技大学 基于石墨烯复合结构频率选择表面的方向图可重构天线
US10355348B2 (en) * 2016-09-30 2019-07-16 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Optically transparent microwave polarizer based on quasi-metallic graphene

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107634347A (zh) * 2017-08-11 2018-01-26 深圳市南华子健信息技术有限公司 带阻频率选择表面结构
CN107634328A (zh) * 2017-09-01 2018-01-26 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 一种石墨烯透明天线及其制备方法
CN108631063A (zh) * 2018-05-02 2018-10-09 中国计量大学 一种静电驱动的太赫兹超材料调制器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Electrically switchable metadevices via graphene;Osman Balci等;《SCIENCE ADVANCES》;20180105;第1-7页，图1-4 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN109326889A (zh) 2019-02-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109326889B (zh) 一种基于石墨烯的频率选择表面电磁波透射幅度调制器
CN107331972B (zh) 基于石墨烯的人工超表面电磁波幅度调制器
JP6695933B2 (ja) 表面散乱アンテナの改善
CN105006652B (zh) 基于石墨烯复合结构频率选择表面的方向图可重构天线
CN104868777A (zh) 一种摩擦纳米发电机、发电机组和发电方法
CN115513669B (zh) 一种2比特Ka波段电控可编程超表面
CN210404057U (zh) 基于石墨烯的透射动态可调柔性频率选择吸波器
CN110246956B (zh) 一种极化不敏感的可调电磁诱导透明太赫兹器件
CN114267950B (zh) 一种太赫兹石墨烯全息阻抗表面天线及通信系统
CN114911084A (zh) 一种太赫兹液晶圆偏振波束扫描器件
CN110797665A (zh) 基于石墨烯的微波段动态可调吸波器及其制备方法
WO2011042699A1 (en) Rf element
CN114465010A (zh) 一种基于电磁感应透明现象的电控超表面太赫兹调制器
CN115988862B (zh) 一种宽带电磁特征主动电可调的多功能柔性器件及其制备方法
CN205427366U (zh) 一种电调光反射率薄膜
CN105892102B (zh) 基于石墨烯的太赫兹波透射型调制器
CN209526207U (zh) 基于石墨烯的微波段波束控制及极化变换器
Du et al. Polarization-independent terahertz wave modulator based on graphene-silicon hybrid structure
Henthorn et al. Frequency selective surface loaded antenna for direct antenna modulation
CN106526902A (zh) 基于石墨烯微细光纤的光空间超快调制器
CN205427367U (zh) 一种可寻址电调光反射率薄膜
US8379293B2 (en) Method and apparatus for modulating light
CN117879383A (zh) 一种具有动态雷达-红外兼容隐身性能的介电弹性体驱动器及其制法
JP2005244458A (ja) 電波レンズ
CN117767018A (zh) 一种基于介电弹性体的雷达隐身吸波材料及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant