CN109449602B - 一种基于石墨烯的频率可重构吸波材料 - Google Patents

Abstract

本发明属于人工电磁吸波材料领域，提供一种基于石墨烯的频率可重构吸波材料，用以克服现有石墨烯吸波材料存在的石墨烯成本高、制备工艺难度大、制备耗时长、且相对可调节范围较窄的问题。本发明采用竖直方向的馈电结构，有效避免了馈线对金属图形层谐振特性的影响；同时，采用若干个体积很小的硅块，有效避免了采用大面积硅或III‑V族化合物等半导体材料作为基底，从而使其能够大面积制备与应用；对应采用小面积石墨烯，且无需刻蚀，有效简化石墨烯吸波材料制备工艺、大大降低石墨烯吸波材料制备成本；最后，本发明利用石墨烯的电磁损耗特性结合金属图形层设计吸波材料，大大提高石墨烯吸波材料的相对吸波带宽。

Description

一种基于石墨烯的频率可重构吸波材料

技术领域

本发明属于人工电磁吸波材料领域，具体提供一种基于石墨烯的频率可重构吸波材料。技术领域

人工电磁吸波材料分为干涉型和吸收型，干涉型使入射电磁波在材料表面和内部产生多次反射，最终这些反射波在材料表面处干涉相消；吸收型人工吸波材料引入损耗因素，使入射电磁波在材料内部损耗并转化为热能，如基于变阻二极管的吸波材料、基于石墨烯的吸波材料；其中，基于石墨烯的吸波材料相比于基于变阻二极管的吸波材料，能够克服变阻二极管工作时有能耗的问题。

但是现有的基于石墨烯的吸波材料存在两种情况：

其一、需要大面积的石墨烯，石墨烯成本高，难以制备，且存在制备工艺不成熟导致的可重复性差等问题；如文献《Wang Z,Zhou M,Lin X,et al.A circuit method tointegrate metamaterial and graphene in absorber design[J].OpticsCommunications,2014,329(20):76-80》，其中太赫兹吸波材料的结构如图1所示，周期单元(面积：20×20μm²)上表面是整层的石墨烯，中间一层是“工”形的金属面，底层为金属层，它们之间均用厚度仅为0.02μm的高分子聚合物隔开。该吸波结构的周期性结构单元大小受限于大面积石墨烯的制备工艺，难以应用于微波频段(注：工作频率越低，所需单元结构面积越大)。

其二、需要刻成图案的石墨烯或石墨烯与金属的组合图形，，需采用CMOS工艺，成本高、耗时长且难以大面积制备；如文献《Xu B,Gu C,Li Z,et al.A Novel Absorber WithTunable Bandwidth Based on Graphene[J].IEEE Antennas&Wireless PropagationLetters,2014,13(1):822-825》，其中，吸波材料的结构如图2所示，周期单元中具有十字形结构宽度为w₃的交叉带状线为石墨烯，两个方环则由金属构成。该吸波结构的基底材料为III-V族化合物(GaAs)，成本高且难以大面积制备。因此，相应的周期性单元结构面积亦很小，工作频率通常在毫米波、太赫兹甚至更高，难以应用于微波频段。

进一步的，频率可重构的人工电磁吸波材料主要有以下三种方法：1.机械改变结构参数(材料层数等)；2.改变基底特性(介电常数等)；3.改变材料中加载的集总元件特性(加载的电阻、电容值等)，即加载有源频率选择表面(AFSS)的吸波材料，它是在频率选择表面(FSS)基础上加入馈电系统和可电控元件，实现材料电磁特性动态可调；上述两篇文献均属于加载有源频率选择表面(AFSS)的吸波材料，但是，其相对可调节范围均较窄。

基于此，本发明提供一种基于石墨烯、针对任意方向极化波的频率可重构吸波材料。

发明内容

本发明的目的在于针对上述加载有源频率选择表面(AFSS)的吸波材料存在的石墨烯成本高、制备工艺难度大、制备耗时长、难以大面积制备且相对可调节范围较窄的问题，提供一种基于石墨烯的频率可重构吸波材料；本发明频率可重构吸波材料采用的石墨烯面积小且无需蚀刻。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于石墨烯的频率可重构吸波材料，包括从下往上依次层叠设置的正极馈电金属层(1)、第五介质层(2)、负极馈电金属层(3)、第四介质层(4)、第三介质层(5)、第二介质层(6)、第一介质层(7)与金属图形层(8)，以及正极馈电金属棒(9)与负极馈电金属棒(10)；所述第一介质层中嵌入有若干个硅块(11)，所述每个硅块上依次层叠设置有二氧化硅层(12)和石墨烯层(13)，所述石墨烯层位于所述金属图形层下方且与之相连；所述正极馈电金属棒贯穿所述第五介质层、负极馈电金属层、第四介质层、第三介质层、第二介质层及第一介质层，上端连接所述金属图形层，下端连接所述正极馈电金属层，并且正极馈电金属棒与负极馈电金属层相绝缘；所述负极馈电金属棒贯穿所述第四介质层、第三介质层及第二介质层，上端连接硅块，下端连接负极馈电金属层。

进一步的，所述金属图形层由呈阵列排布的若干个周期性金属单元构成，所述周期性金属单元是由圆心重合的两个椭圆环和一个圆环相切构成，两个椭圆环垂直放置；所述两个椭圆环的长轴顶点位置均开设有缝隙，所述缝隙与硅块一一对应、且硅块上石墨烯层覆盖所述缝隙。

更进一步的，所述周期性金属单元中，选定任一椭圆环为第一椭圆环，则另一椭圆环为第二椭圆环，则两个椭圆环和一个圆环的尺寸满足以下关系：

r_b1+t_b1<r_c+t_c<r_a2+t_a2

其中，r_b1为第一椭圆环内椭圆短半轴长度，t_b1为第一椭圆环短轴方向环宽；r_c为圆环内半径，t_c为圆环环宽；r_a2为第二椭圆环内椭圆长半轴长度，t_a2为第二椭圆环长轴方向环宽。

本发明的有益效果在于：

本发明提供一种基于石墨烯的频率可重构吸波材料，相对于基于变阻二极管的吸波材料，该材料几乎没有能耗；相对于现有基于石墨烯的吸波材料，本发明中采用常见的电介质材料作为基底，内嵌若干个体积很小的硅块，硅块上依次层叠设置二氧化硅层、石墨烯层以及金属电极层共同构成场效应结构，利用石墨烯的电磁损耗特性以及电导率可重构特性，吸收入射波在FSS(金属图形层)上激励的感应电流，从而完成吸波并实现频率可重构功能。本发明有效避免了采用大面积硅或III-V族化合物等半导体材料作为基底，从而使其能够大面积制备；对应于若干个体积很小的硅块，本发明采用小面积石墨烯，且石墨烯尺寸精度要求低，无需刻蚀，从而有效简化基于石墨烯吸波材料的制备工艺、大大降低基于石墨烯吸波材料的制备成本。

进一步的，本发明中的FSS(金属图形层)采用对称型结构设计并引入竖直馈电方式，从而减小不同极化方向上的电容分布不均匀性，使得其吸波特性几乎不受电磁波极化方向影响。

附图说明

图1为现有人工石墨烯吸波材料的周期性单元结构模型。

图2为现有人工石墨烯吸波材料结构示意图。

图3为本发明基于石墨烯的频率可重构吸波材料的结构侧视图。

图4为本发明基于石墨烯的频率可重构吸波材料的FSS单元结构

图5为本发明实施例中由多个FSS单元结构构成的图形。

图6为本发明实施例中金属连接线层的示意图。

图7为本发明实施例中线极化垂直入射波电场极化方向沿x轴方向时，材料在不同石墨烯方阻下的吸波特性(S₁₁)。

图8为本发明实施例中线极化垂直入射波电场极化方向与x轴正方向夹角为30°时，材料在不同石墨烯方阻下的吸波特性(S₁₁)。

图9为本发明实施例中线极化垂直入射波电场极化方向与x轴正方向夹角为60°时，材料在不同石墨烯方阻下的吸波特性(S₁₁)。

图10为本发明实施例中线极化垂直入射波电场极化方向与x轴正方向夹角为90°时，材料在不同石墨烯方阻下的吸波特性(S₁₁)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本实施例提供一种基于石墨烯的频率可重构吸波材料，其结构如图3所示，包括从下往上依次层叠设置的正极馈电金属层(1)、第五介质层(2)、负极馈电金属层(3)、第四介质层(4)、第三介质层(5)、第二介质层(6)、第一介质层(7)与金属图形层(8)，以及正极馈电金属棒(9)与负极馈电金属棒(10)；所述第一介质层中嵌入有若干个硅块(11)，所述每个硅块上依次层叠设置有二氧化硅层(12)和石墨烯层(13)，所述石墨烯层位于所述金属图形层下方(上方亦可)且与之相连；所述正极馈电金属棒贯穿所述第五介质层、负极馈电金属层、第四介质层、第三介质层、第二介质层及第一介质层，上端连接所述金属图形层，下端连接所述正极馈电金属层，并且正极馈电金属棒与负极馈电金属层相绝缘；所述负极馈电金属棒贯穿所述第四介质层、第三介质层及第二介质层，上端连接硅块，下端连接负极馈电金属层。金属图形层如图5所示，由呈阵列排布的若干个周期性金属单元构成，所述周期性金属单元是由圆心重合的两个椭圆环和一个圆环相切构成，两个椭圆环垂直放置；所述两个椭圆环的长轴顶点位置均开设有缝隙，所述缝隙与硅块一一对应、且硅块上石墨烯层覆盖所述缝隙；选定任一椭圆环为第一椭圆环，则另一椭圆环为第二椭圆环，则两个椭圆环和一个圆环的尺寸满足以下关系：

r_b1+t_b1<r_c+t_c<r_a2+t_a2

其中，r_b1为第一椭圆环内椭圆短半轴长度，t_b1为第一椭圆环短轴方向环宽；r_c为圆环内半径，t_c为圆环环宽；r_a2为第二椭圆环内椭圆长半轴长度，t_a2为第二椭圆环长轴方向环宽。

具体参数如下：

1.介质层及硅块：第一至第五介质层的相对介电常数取值范围均为1～30，本实施例中，第一、第二、第四、第五介质层采用厚度为0.254mm的Teflon,相对介电常数是2.2，第三介质层采用厚度为5.4mm的空气或泡沫，相对介电常数是1；硅介质相对介电常数为11.9，导电率为0.1～1000S/m，本实施例中，硅的导电率为1S/m；二氧化硅厚度为1～1000nm：本实施例中，二氧化硅厚度为300nm。

金属图形层：如图4所示，以两个椭圆环和圆环的圆心为为坐标轴原点(0，0，0)，则

椭圆环1参数：内环：x²/r_a ²+y²/r_b ²＝1，外环：x²/(r_a+t_a)²+y²/(r_a+t_b)²＝1，其中，r_a为内椭圆环长半轴长度，r_b为内椭圆环短半轴长度；t_a为椭圆环长轴方向环宽，t_b为椭圆环短轴方向环宽；本实施例中，r_a1＝8mm，t_a1＝0.4mm，r_b1＝2.4mm，t_b1＝0.5mm；

椭圆环2参数：满足：r_a2+t_a2>r_b1+t_b1，其中，r_a2为内椭圆环长半轴长度，r_b2为内椭圆环短半轴长度；t_a2为椭圆环长轴方向环宽，t_b2为椭圆环短轴方向环宽，本实施例中，椭圆环2为椭圆环1绕z轴旋转90°；

圆环参数：满足：r_a2+t_a2>r_c+t_c>r_b1+t_b1，其中，内半径r_c，环宽t_c；本实施例中，r_c＝5.4mm，t_c＝0.4mm；

缝隙参数：缝隙宽度为t，本实施例中：t＝0.075mm。

石墨烯覆盖位置及形状大小：以一个环单元为例，环中心为原点，一个环上有4个缝隙，以y轴右侧一片石墨烯为例，其参数为：中心位置：(g_x,g_y,0)、x轴方向长度为s_x、y轴方向长度为s_y，本实施例中，g_x＝0、g_y＝r_a+t_a/2＝8.2mm、s_x＝1mm、s_y＝1.6t_a＝0.64mm；一个环内的其他3片石墨烯由此石墨烯绕z轴旋转90°，180°，270°得到。

硅块参数：硅介质为长方体块，上表面与石墨烯等大，相同位置，硅块厚度为h_si，本实施例中，h_si＝0.254mm；

正极馈电结构参数：正极馈电金属棒上表面中心位置(b_x0，b_y0,0)、半径r_k；负极馈电金属层开孔中心位置(b_x1，b_y1,-h₁-h₂-h₃-h₄)、负极馈电金属层开孔半径r_k+t_k；本实施例中，b_x0＝-3.96mm、b_y0＝3.96mm、r_k＝0.25mm、t_k＝0.15mm、b_x1＝-3.96mm、b_y1＝3.96mm。

负极馈电结构参数：负极馈电是由四根金属棒分别给四块硅块馈电，硅块的下表面分别引出四根短金属线(14)连接四根金属棒的上表面，如图6所示；本实施例中：在一个单元内，以位于y轴上沿y轴正方向的硅块负极馈电为例，短金属线中心线的两个端点1.(-0.3mm，8.2mm，-0.254mm)、2.(-1.3mm,8.2mm，-0.254mm)，短金属线沿y方向宽度为0.15mm，金属棒上表面中心位置为(-1.3mm,8.2mm，-0.254mm)，金属棒半径为0.25mm；其余3对金属线和金属棒与示例的这一对大小相同，位置关系为沿z轴90°旋转对称。

单元排列方式：沿y轴排列的中心在一条直线上的单元为一行(如图5)，其下行可由上行平移得到，其平移方向与距离可由向量(t_x，t_y，0)表示，同一行中的单元中心间距为d_x；本实施例中，t_x＝12mm、t_y＝9.4mm、d_x＝18.8mm。

石墨烯在不同偏置电压下表现出不同的电导率，从而表现出不同方阻，本发明的仿真结果都是石墨烯在不同方阻下的吸波特性(S₁₁)。

phi参数表示入射电磁波电场极化方向与x轴正方向的夹角，phi＝0°时，入射波电场极化方向沿x轴正方向极化。

以下分别是phi＝0°，30°，60°，90°时，入射波端口的S₁₁随石墨烯方阻的变化：

如图7所示，phi＝0°，其中，线条1～7的石墨烯对应方阻分别为300Ω、500Ω、1000Ω、1500Ω、2500Ω、4000Ω和5500Ω；由图可见，phi＝0°时，石墨烯方阻变化300～5500Ω，连续可调的吸波范围覆盖3.1～5.4GHz，中心频率可调范围为3.36～4.85GHz，单条曲线吸波带宽0.6～1GHz；

如图8所示，phi＝30°，其中，线条1～6的石墨烯对应方阻分别为300Ω、500Ω、1000Ω、1500Ω、2500Ω和4000Ω；由图可见，phi＝30°时，石墨烯方阻变化300～4000Ω，连续可调的吸波范围覆盖3.4～6.3GHz，中心频率可调范围为3.6～5.42GHz，单条曲线吸波带宽0.4～1.5GHz；

如图9所示，phi＝60°，其中，线条1～5的石墨烯对应方阻分别为500Ω、1000Ω、1500Ω、2500Ω和4000Ω；由图可见，phi＝60°时，石墨烯方阻变化500～4000Ω，连续可调的吸波范围覆盖3.4～6.3GHz；中心频率可调范围为3.7～5.4GHz。单条曲线吸波带宽0.4～1.5GHz；

如图10所示，phi＝90°，其中，线条1～6的石墨烯对应方阻分别为300Ω、500Ω、1000Ω、1500Ω、2500Ω和4000Ω；由图可见，phi＝90°时，石墨烯方阻变化300～4000Ω，连续可调的吸波范围覆盖3.6～6.3GHz；中心频率可调范围为3.8～5.5GHz。单条曲线吸波带宽0.4～1.8GHz；

在所有极化方向上，共同的吸波频带为3.6～5.4GHz，对中心频率(4.5GHz)的相对带宽为40％。

综上，本发明具备吸波频带连续可调、吸波频率可调范围广、单个吸收曲线的吸波频带宽、可吸收任意极化方向电磁波的特性。跟其他同类型材料相比，具有成本低、制作简易、耗时少、不耗能等优点。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (2)

1.一种基于石墨烯的频率可重构吸波材料，其特征在于，包括从下往上依次层叠设置的正极馈电金属层(1)、第五介质层(2)、负极馈电金属层(3)、第四介质层(4)、第三介质层(5)、第二介质层(6)、第一介质层(7)与金属图形层(8)，以及正极馈电金属棒(9)与负极馈电金属棒(10)；所述第一介质层中嵌入有若干个硅块(11)，所述每个硅块上依次层叠设置有二氧化硅层(12)和石墨烯层(13)，所述石墨烯层位于所述金属图形层下方且与之相连；所述正极馈电金属棒贯穿所述第五介质层、负极馈电金属层、第四介质层、第三介质层、第二介质层及第一介质层，上端连接所述金属图形层，下端连接所述正极馈电金属层，并且正极馈电金属棒与负极馈电金属层相绝缘；所述负极馈电金属棒贯穿所述第四介质层、第三介质层及第二介质层，上端连接硅块，下端连接负极馈电金属层；

所述金属图形层由呈阵列排布的若干个周期性金属单元构成，所述周期性金属单元是由圆心重合的两个椭圆环和一个圆环相接的外边缘构成，两个椭圆环相互垂直放置；所述两个椭圆环的长轴顶点位置均开设有缝隙，所述缝隙与硅块一一对应、且硅块上石墨烯层覆盖所述缝隙。

2.按权利要求1所述基于石墨烯的频率可重构吸波材料，其特征在于，所述周期性金属单元中，选定任一椭圆环为第一椭圆环，则另一椭圆环为第二椭圆环，则两个椭圆环和一个圆环的尺寸满足以下关系：

r_b1+t_b1<r_c+t_c<r_a2+t_a2

其中，r_b1为第一椭圆环内椭圆短半轴长度，t_b1为第一椭圆环短轴方向环宽；r_c为圆环内半径，t_c为圆环环宽；r_a2为第二椭圆环内椭圆长半轴长度，t_a2为第二椭圆环长轴方向环宽。

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