CN110057247A - 一种基于石墨烯超表面的反射式隐身方法及装置 - Google Patents
一种基于石墨烯超表面的反射式隐身方法及装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110057247A CN110057247A CN201910464021.1A CN201910464021A CN110057247A CN 110057247 A CN110057247 A CN 110057247A CN 201910464021 A CN201910464021 A CN 201910464021A CN 110057247 A CN110057247 A CN 110057247A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- graphene
- layer
- rectangular opening
- row
- covered
- 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.)
- Granted
Links
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 106
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 105
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 19
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 15
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 6
- 150000001336 alkenes Chemical class 0.000 claims description 3
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims 2
- 239000004575 stone Substances 0.000 claims 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 7
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 abstract description 3
- 239000010439 graphite Substances 0.000 abstract description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 2
- -1 graphite alkene Chemical class 0.000 abstract description 2
- 238000002198 surface plasmon resonance spectroscopy Methods 0.000 abstract description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 62
- 239000000463 material Substances 0.000 description 14
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 10
- 238000013461 design Methods 0.000 description 7
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 7
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 5
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 238000000609 electron-beam lithography Methods 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 230000000644 propagated effect Effects 0.000 description 1
- 230000011514 reflex Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
- B32B15/04—Layered products comprising a layer of metal comprising metal as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B33/00—Layered products characterised by particular properties or particular surface features, e.g. particular surface coatings; Layered products designed for particular purposes not covered by another single class
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B9/00—Layered products comprising a layer of a particular substance not covered by groups B32B11/00 - B32B29/00
- B32B9/005—Layered products comprising a layer of a particular substance not covered by groups B32B11/00 - B32B29/00 comprising one layer of ceramic material, e.g. porcelain, ceramic tile
- B32B9/007—Layered products comprising a layer of a particular substance not covered by groups B32B11/00 - B32B29/00 comprising one layer of ceramic material, e.g. porcelain, ceramic tile comprising carbon, e.g. graphite, composite carbon
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B9/00—Layered products comprising a layer of a particular substance not covered by groups B32B11/00 - B32B29/00
- B32B9/04—Layered products comprising a layer of a particular substance not covered by groups B32B11/00 - B32B29/00 comprising such particular substance as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F41—WEAPONS
- F41H—ARMOUR; ARMOURED TURRETS; ARMOURED OR ARMED VEHICLES; MEANS OF ATTACK OR DEFENCE, e.g. CAMOUFLAGE, IN GENERAL
- F41H3/00—Camouflage, i.e. means or methods for concealment or disguise
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B2250/00—Layers arrangement
- B32B2250/03—3 layers
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明涉及雷达探测隐身技术领域，特别是一种基于石墨烯超表面的反射式隐身方法及装置，该装置包括下层的金属基底层、中层的电介质层和上层的石墨烯层，石墨烯层刻蚀有M行×N列的矩形孔，通过在石墨烯层设置相应的矩形孔，且矩形孔的几何尺寸满足行相同，每一列内的矩形孔的几何尺寸与矩形孔中心距水平地面的高度配合设置，利用超表面结构中不同尺寸石墨烯矩形孔的表面等离激元共振来调制反射波相位的空间分布，实现对反射波波前的重建，达到伪装隐形的效果，适用的工作带宽较宽、入射角域较大，且性能可调谐，具有较好的隐形效果。
Description
技术领域
本发明涉及雷达探测隐身技术领域，特别是一种基于石墨烯超表面的反射式隐身方法及装置。
背景技术
隐身在军事领域尤为重要，随着科技的发展，整形、雷达吸波材料、有源与无源阻抗加载等传统隐身技术已不能满足需求。超材料(metamaterials)是一类由亚波长单元结构周期或非周期排列而成的人工复合材料或结构，具备自然材料所不具备的超常物理特性。人们可以在不违背物理学基本规律的前提下，通过对超材料关键物理尺寸进行有序结构设计，实现与常规材料截然不同的折射率，突破传统材料资源瓶颈，灵活调控电磁波。超材料的提出使人们对未来隐身材料的研究从单纯的吸波研究，扩展到控制电磁波的传播路径(绕射)来实现隐身，为探索新型隐身材料或技术提供了新的思路。
超表面是超材料的二维形式，它既保留了超材料的奇异特性，又克服了三维超材料损耗高、加工难、不易集成等困难。相比三维超材料，利用超表面实现的隐身衣，在设计过程不涉及复杂的材料参数，具有质量轻、厚度小、易加工、易共形等优势。
目前提出的超表面隐身设计普遍具有工作带宽窄，入射角域狭小，依赖入射波的极化方向、不易调谐等限制，远不能满足现代对宽波带(多波带)、宽角域、全极化隐身技术的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于石墨烯超表面的反射式隐身方法及装置，用以解决现有超表面隐身设计工作带宽窄、入射角域狭小、性能不易调谐导致隐身效果较差的问题。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于石墨烯超表面的反射式隐身装置，包括下层的金属基底层、中层的电介质层和上层的石墨烯层，石墨烯层刻蚀有M行×N列的矩形孔，每两个相邻矩形孔的几何中心之间的距离均相等；
其中，M行中任一行内的矩形孔的几何尺寸相同；N列中任一列的矩形孔的几何尺寸与根据矩形孔的几何中心与被覆盖物所在水平地面之间的高度确定的反射相位补偿量相关。
有益效果是，通过在石墨烯层设置相应的矩形孔，且矩形孔的几何尺寸满足行相同，每一列内的矩形孔的几何尺寸与矩形孔中心距水平地面的高度配合设置，利用超表面结构中不同尺寸石墨烯矩形孔的表面等离激元共振来调制反射波相位的空间分布，实现对反射波波前的重建，达到伪装隐形的效果，适用的工作带宽较宽、入射角域较大，且性能可调谐，具有较好的隐形效果。
进一步地，反射相位补偿量的计算公式如下：
式中k0＝2π/λ，k0表示波数，hi＝(i-1/2)psinβ，hi表示从被覆盖物所处水平地面向上，任一列内第i(i＝1,2,3…M)行矩形孔的几何中心与被覆盖物所在水平地面之间的高度，β表示隐身装置与被覆盖物所在水平地面的夹角，p表示两个相邻矩形孔的几何中心之间的距离。
进一步地，为了得到更好的隐身效果，上层的石墨烯层中石墨烯的费米能为0.6～1.0eV。
进一步地，为了增强石墨烯层石墨烯矩形孔结构的等离子体共振，中层的电介质层的厚度值的取值范围为3λn/16～5λn/16，λn为入射波在电介质中的波长。
本发明提供一种基于石墨烯超表面的反射式隐身方法，包括以下步骤：
1)在被覆盖物的表面布设金属基底层、电介质层和石墨烯层，其中金属基底层为下层，电介质层为中层，石墨烯层为上层；
2)在石墨烯层上刻蚀出M行×N列的矩形孔，每两个相邻矩形孔的几何中心之间的距离均相等；
其中，M行中任一行内的矩形孔的几何尺寸相同；N列中任一列的矩形孔的几何尺寸与根据矩形孔的几何中心与被覆盖物所在水平地面之间的高度确定的反射相位补偿量相关。
进一步地，该方法中反射相位补偿量的计算公式如下：
式中k0＝2π/λ，k0表示波数，hi＝(i-1/2)psinβ，hi表示从被覆盖物所处水平地面向上，任一列内第i(i＝1,2,3…M)行矩形孔的几何中心与被覆盖物所在水平地面之间的高度，β表示隐身装置与被覆盖物所在水平地面的夹角，p表示两个相邻矩形孔的几何中心之间的距离。
进一步地，为了得到更好的隐身效果，该方法中上层的石墨烯层中石墨烯的费米能为0.6～1.0eV。
进一步地，为了增强石墨烯层石墨烯矩形孔结构的等离子体共振，该方法的中层的电介质层的厚度值的取值范围为3λn/16～5λn/16，λn为入射波在电介质中的波长。
附图说明
图1是石墨烯超表面的结构单元斜视图；
图2是石墨烯超表面的结构单元正侧面图；
图3是石墨烯超表面的结构单元俯视图；
图4是基于石墨烯超表面构建的三角棱形凸起隐身地毯结构的斜视图；
图5是基于石墨烯超表面构建的三角棱形凸起隐身地毯结构的侧面图；
图6是超表面结构单元反射相位与石墨烯矩形孔几何结构尺寸的对应关系图；
图7是超表面结构单元反射波强度与石墨烯矩形孔几何结构尺寸的对应关系图；
图8是f0＝2.8THz的太赫兹波垂直入射至斜面倾角β＝14.6°的裸露三角棱形凸起金属斜面上时，x-z平面的反射场电场强度分布图；
图9是f0＝2.8THz的太赫兹波垂直入射至斜面倾角β＝14.6°的裸露三角棱形凸起金属斜面上时，反射波的三维远场辐射方向图；
图10是f0＝2.8THz的太赫兹波垂直入射至被费米能Ef＝0.7eV的石墨烯超表面隐身地毯覆盖的，斜面倾角β＝14.6°的三角棱形凸起物时，x-z平面的反射场电场强度分布图；
图11是f0＝2.8THz的太赫兹波垂直入射至被费米能Ef＝0.7eV的石墨烯超表面隐身地毯覆盖的，斜面倾角β＝14.6°的三角棱形凸起物时，反射波的三维远场辐射方向图；
图12是不同频率太赫兹波垂直入射至被费米能Ef＝0.7eV的石墨烯超表面隐身地毯覆盖的，斜面倾角β＝14.6°的三角棱形凸起物时，反射波的二维远场辐射方向图；
图13是f0＝2.8THz的太赫兹波以相对水平地面θ＝20°的入射角倾斜入射至被Ef＝0.7eV的石墨烯超表面隐身地毯覆盖的，斜面倾角β＝14.6°的三角棱形凸起时，x-z平面的反射场电场强度分布图；
图14是f0＝3.0THz的太赫兹波垂直入射至被Ef＝0.9eV的石墨烯超表面隐身地毯覆盖的，斜面倾角β＝14.6°的三角棱形凸起时，x-z平面的反射场电场强度分布图；
图15是f0＝3.0THz的太赫兹波以相对水平地面θ＝20°的入射角倾斜入射至被Ef＝0.9eV的石墨烯超表面隐身地毯覆盖的，斜面倾角β＝14.6°的三角棱形凸起时，x-z平面的反射场电场强度分布图；
图16是f0＝2.8THz的太赫兹波垂直入射至被Ef＝0.7eV的石墨烯超表面隐身地毯覆盖的，斜面倾角β＝24.6°三角棱形凸起时，x-z平面的反射场电场强度分布图；
图17是f0＝2.8THz太赫兹波垂直入射至被Ef＝0.7eV的石墨烯超表面隐身地毯覆盖的，斜面倾角β＝14.6°四棱柱形凸起时，x-z平面的反射场电场强度分布图；
图中，1为石墨烯层，2为电介质层，3为金属基底层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
装置实施例：
本发明提供一种基于石墨烯超表面的反射式隐身装置，如图1、图2、图3、图4和图5所示，包括上层的石墨烯层1、中层的电介质层2和下层的金属基底层3，石墨烯层刻蚀有M行×N列的矩形孔，每两个相邻矩形孔的几何中心之间的距离均相等；石墨烯矩形孔的几何尺寸表示为a和b，电介质层的厚度为t。太赫兹平面波垂直向下入射，偏振方向与石墨烯矩形孔尺寸为a的边平行，石墨烯层反射部分入射的太赫兹平面波，金属基底层充当全反射镜面。
其中，M行中任一行内的矩形孔的几何尺寸相同；N列中任一列的矩形孔的几何尺寸与根据矩形孔的几何中心与被覆盖物所在水平地面之间的高度确定的反射相位补偿量相关。
本发明中电介质层材料为SiO2，石墨烯层中石墨烯的费米能为0.7eV，金属基底层中金属材料为金，石墨烯层中矩形孔为利用光刻(Photolithography)或电子束曝光(Electron beam lithography)等技术刻蚀得到；作为其他实施方式，石墨烯的费米能可以为0.6～1.0eV中的任一值，金属材料还可以是银或铜。
石墨烯超表面的反射波波前(相位和强度)依赖石墨烯矩形孔的几何参数，石墨烯矩形孔的尺寸不同，对应的反射波的强度和相位也不同，本发明采用的两个相邻矩形孔的几何中心之间的距离也就是超表面结构中石墨烯的单元尺寸p＝20μm；为了增强石墨烯层石墨烯矩形孔结构的等离子体共振，金属基底层应距离石墨烯层即电介质层的厚度值约为入射波在电介质中的波长的四分之一，取值范围为3λn/16～5λn/16，λn为入射波在电介质中的波长，本发明采用的电介质层厚度为t＝17μm，矩形孔几何尺寸a和b的取值范围是1μm至18μm，垂直向下入射太赫兹波的频率f0＝2.8THz，石墨烯的费米能Ef＝0.7eV；此时，超表面结构单元反射波相位及强度与石墨烯矩形孔几何尺寸的对应关系如图6和图7所示，其中，三角标记的横坐标和纵坐标对应构建的隐身地毯结构中M种石墨烯矩形孔的几何尺寸，图4中M＝24。另外，本发明的图4中，石墨烯矩形孔列数和行数相同，即M＝N，当然，M和N均可以随着实际需求而改变。
如图4所示，本发明将石墨烯超表面结构单元沿三角棱形凸起的斜面排列，构建覆盖在三角棱形凸起上的隐身装置，若用于地面物体覆盖，该隐身装置又可称为隐身地毯。如图5所示，太赫兹平面波的入射角为θ，三角棱形凸起物的斜面倾角为β。垂直三角棱形凸起OO’棱边方向上排布的任意一列石墨烯矩形孔的几何尺寸各不相同，平行OO’棱边排列的任意一行石墨烯矩形孔的尺寸都相同。通过沿OO’棱边垂直方向上设置不同几何尺寸的石墨烯矩形孔，可以获得特定的相位空间补偿，实现对反射波的波前调制，使三角棱形凸起及其内部空间相对入射的太赫兹平面波隐形。
对于斜面倾斜角度为β的三角棱形凸起，反射相位补偿量的计算公式如下：
式中k0＝2π/λ，k0表示波数，hi＝(i-1/2)psinβ，hi表示从被覆盖物所处水平地面向上，任一列内第i(i＝1,2,3…M)行矩形孔的几何中心与被覆盖物所在水平地面之间的高度，β表示隐身装置与被覆盖物所在水平地面的夹角，p表示两个相邻矩形孔的几何中心之间的距离。
图6和图7是基于模拟仿真结果绘制，为石墨烯矩形孔几何结构尺寸a和b为不同值时，超表面结构单元的反射波相位与强度的等高线图。其中横坐标X和纵坐标Y代表石墨烯矩形孔几何尺寸a和b，高度值Z代表反射波相位或强度。由于不同尺寸的石墨烯矩形孔的表面等离激元共振可以实现不同的反射波相位，因此，将不同尺寸的石墨烯矩形孔进行排布，可以调制石墨烯超表面反射波相位的空间分布。具体过程如下：首先由反射相位补偿量的计算公式确定实现伪装隐形时，超表面结构单元在hi处需要提供的反射相位。进一步，根据反射相位补偿量计算获得的反射相位空间分布，从图6和图7对应的数据集(XYZ)中找出满足反射相位分布，且反射波强度均一的石墨烯矩形孔(几何尺寸)。最后，将这些具有特定几何尺寸的石墨烯矩形孔超表面结构单元排布在相应位置(hi处)。
如图8所示，f0＝2.8THz的太赫兹波垂直入射(即θ＝0°)至斜面倾角β＝14.6°的裸露三角棱形凸起金属斜面上时，x-z平面的反射场电场强度分布；如图9所示，为反射波的三维远场辐射方向，可以明显看出入射波经两斜面反射后沿两侧斜向上方向传播。如图10和图11所示，被费米能Ef＝0.7eV的石墨烯超表面隐身地毯覆盖，x-z平面的反射场电场强度分布和反射波的三维远场辐射方向；与裸露的对比，当三角棱形凸起表面覆盖设计的超表面隐身地毯后，反射波沿水平地面的法线方向反射，波前呈平面均匀分布，与水平地面(无三角棱凸起)对垂直入射波的反射场类似，即实现了对三角棱形凸起及其内部空间的伪装隐形。
本发明是利用有限元电磁场仿真软件Comsol Multiphysics(Comsol Inc.)的波动光学模块进行超表面结构单元的设计及其构建的隐身装置的隐身性能的模拟仿真验证。在所研究的太赫兹波段，电介质层SiO2的相对介电系数设置为εr＝3.75，损耗正切为tanδ＝0.0184。金属基底层用完美电导体边界代替，单层石墨烯在计算模拟中用表面电流层替代，电流密度为其中σ代表石墨烯的电导率，由如下公式描述：
式中，H(ω)＝sinh(ω/ωT)/[cosh(ωf/ωT)+cosh(ω/ωT)]，σ(ω)表示电导率，Ef表示费米能，ω是入射光的频率，e是电子的电荷，T是温度，κB是玻尔兹曼常数，是约化普朗克常数，代表弛豫时间，vF≈c/300和μ＝10000cm2/Vs分别代表费米速度和迁移率。上式包含两项，第一项表示带内跃迁，第二项表示带间跃迁。在太赫兹波段，电子带内跃迁过程占主导，电导率可忽略带间跃迁项的贡献。根据上式可知石墨烯费米能Ef的变化会直接导致石墨烯电导率变化。石墨烯费米能Ef和电导率可以通过化学掺杂、偏压以及光学调制等手段进行调控。
本发明还通过不同频率太赫兹平面波垂直入射该隐身装置以测试其隐身性能。如图12所示，频率f0分别为2.4THz，2.6THz，2.8THz，3.0THz，3.2THz的平面电磁波垂直入射时，覆盖在倾角β＝14.6°的三角棱形凸起表面的石墨烯(Ef＝0.7eV)隐身地毯的反射波二维远场辐射方向图。作为比较，图12中同时给出f0＝2.8THz的太赫兹波垂直入射至裸露的三角棱形凸起金属斜面上时，反射波的二维远场辐射方向图。在所设计的工作频率f0＝2.8THz附近约1THz的频率范围内，覆盖有超表面隐身地毯的三角棱形凸起的反射波能量主要沿水平面法向方向传播，表现出“水平”地面对正入射波的反射场分布特征，因此，除了所设计的工作频率，该超表面隐身地毯在1THz的波带范围内仍具有较好的伪装隐身性能。
本发明还通过太赫兹平面波倾斜入射该隐身装置以测试其隐身性能。如图13所示，f0＝2.8THz的平面电磁波以入射角θ＝20°倾斜入射至被石墨烯(Ef＝0.7eV)隐身地毯覆盖的，斜面倾角β＝14.6°的三角棱形凸起时，反射场的电场强度分布，与“水平”地面对该入射波的反射场类似，同样实现了对三角棱形凸起的伪装隐形，说明该超表面隐身地毯具有一定的宽角域隐身性能。
本发明还通过太赫兹平面波垂直入射石墨烯费米能变化后的隐身装置以测试其隐身性能。
如图14和图15所示，超表面隐身装置的石墨烯费米能为Ef＝0.9eV，当f0＝3.0THz的太赫兹平面波垂直(θ＝0°)和倾斜(θ＝20°)入射时，反射场的分布与“水平”地面对该入射波的反射场类似，说明石墨烯费米能改变或费米能取不同值时仍然可以实现隐身。
本发明还通过太赫兹平面波垂直入射不同斜面倾角或形状的石墨烯隐身装置以测试其隐身性能。如图16所示，斜面倾角β＝24.6°的三角棱形凸起对垂直入射的太赫兹平面波的反射场分布。如图17所示，斜面倾角β＝14.6°的四棱柱凸起对垂直入射的太赫兹平面波的反射场分布。其中，入射太赫兹平面波的频率为f0＝2.8THz，石墨烯费米能Ef＝0.7eV。
方法实施例：
本发明提供一种基于石墨烯超表面的反射式隐身方法，包括以下步骤：
1)在被覆盖物的表面布设金属基底层、电介质层和石墨烯层，其中金属基底层为下层，电介质层为中层，石墨烯层为上层。
2)在石墨烯层上刻蚀出M行×N列的矩形孔，每两个相邻矩形孔的几何中心之间的距离均相等。
其中，M行中任一行内的矩形孔的几何尺寸相同；N列中任一列的矩形孔的几何尺寸与根据矩形孔的几何中心与被覆盖物所在水平地面之间的高度确定的反射相位补偿量相关，具体的过程与装置实施例中类似，在此不再赘述。
综上所述，本发明提供隐身装置能够在较宽波带范围内实现一定角域的伪装隐身效果。通过对石墨烯超表面几何结构参数的优化和设计，尤其是石墨烯矩形孔的几何尺寸和排列周期的增大或减小，该隐身地毯的工作波段可调谐至太赫兹至红外区域的其它波长位置。
Claims (8)
1.一种基于石墨烯超表面的反射式隐身装置，其特征在于，包括下层的金属基底层、中层的电介质层和上层的石墨烯层，石墨烯层刻蚀有M行×N列的矩形孔，每两个相邻矩形孔的几何中心之间的距离均相等；
其中，M行中任一行内的矩形孔的几何尺寸相同；N列中任一列的矩形孔的几何尺寸与根据矩形孔的几何中心与被覆盖物所在水平地面之间的高度确定的反射相位补偿量相关。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯超表面的反射式隐身装置，其特征在于，反射相位补偿量的计算公式如下：
式中k0＝2π/λ，k0表示波数，hi＝(i-1/2)psinβ，hi表示从被覆盖物所处水平地面向上，任一列内第i(i＝1,2,3…M)行矩形孔的几何中心与被覆盖物所在水平地面之间的高度，β表示隐身装置与被覆盖物所在水平地面的夹角，p表示两个相邻矩形孔的几何中心之间的距离。
3.根据权利要求1所述的基于石墨烯超表面的反射式隐身装置，其特征在于，上层的石墨烯层中石墨烯的费米能为0.6～1.0eV。
4.根据权利要求1所述的基于石墨烯超表面的反射式隐身装置，其特征在于，中层的电介质层的厚度值的取值范围为3λn/16～5λn/16，λn为入射波在电介质中的波长。
5.一种基于石墨烯超表面的反射式隐身方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在被覆盖物的表面布设金属基底层、电介质层和石墨烯层，其中金属基底层为下层，电介质层为中层，石墨烯层为上层；
2)在石墨烯层上刻蚀出M行×N列的矩形孔，每两个相邻矩形孔的几何中心之间的距离均相等；
其中，M行中任一行内的矩形孔的几何尺寸相同；N列中任一列的矩形孔的几何尺寸与根据矩形孔的几何中心与被覆盖物所在水平地面之间的高度确定的反射相位补偿量相关。
6.根据权利要求5所述的基于石墨烯超表面的反射式隐身方法，其特征在于，反射相位补偿量的计算公式如下：
式中k0＝2π/λ，k0表示波数，hi＝(i-1/2)psinβ，hi表示从被覆盖物所处水平地面向上，任一列内第i(i＝1,2,3…M)行矩形孔的几何中心与被覆盖物所在水平地面之间的高度，β表示隐身装置与被覆盖物所在水平地面的夹角，p表示两个相邻矩形孔的几何中心之间的距离。
7.根据权利要求5所述的基于石墨烯超表面的反射式隐身方法，其特征在于，上层的石墨烯层中石墨烯的费米能为0.6～1.0eV。
8.根据权利要求5所述的基于石墨烯超表面的反射式隐身方法，其特征在于，中层的电介质层的厚度值的取值范围为3λn/16～5λn/16，λn为入射波在电介质中的波长。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910464021.1A CN110057247B (zh) | 2019-05-30 | 2019-05-30 | 一种基于石墨烯超表面的反射式隐身方法及装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910464021.1A CN110057247B (zh) | 2019-05-30 | 2019-05-30 | 一种基于石墨烯超表面的反射式隐身方法及装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110057247A true CN110057247A (zh) | 2019-07-26 |
| CN110057247B CN110057247B (zh) | 2021-11-30 |
Family
ID=67325269
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910464021.1A Active CN110057247B (zh) | 2019-05-30 | 2019-05-30 | 一种基于石墨烯超表面的反射式隐身方法及装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110057247B (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110398180A (zh) * | 2019-08-13 | 2019-11-01 | 杨婷 | 一种基于石墨烯超表面的反射式隐身装置 |
| CN111834753A (zh) * | 2020-08-06 | 2020-10-27 | 中国人民解放军空军工程大学 | 全极化超表面地毯隐身衣及其设计方法 |
| CN113239419A (zh) * | 2021-04-14 | 2021-08-10 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于厚度和尺寸变化的蜂窝结构可调谐超表面的设计方法 |
| CN114527521A (zh) * | 2022-03-04 | 2022-05-24 | 郑州航空工业管理学院 | 一种偏振不敏感的主动超表面隐身斗篷 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105823378A (zh) * | 2016-05-06 | 2016-08-03 | 浙江大学 | 一种三维全极化的超表面隐身衣 |
| CN106877003A (zh) * | 2017-03-22 | 2017-06-20 | 桂林电子科技大学 | 一种反射型超宽带太赫兹极化可重构圆极化器 |
-
2019
- 2019-05-30 CN CN201910464021.1A patent/CN110057247B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105823378A (zh) * | 2016-05-06 | 2016-08-03 | 浙江大学 | 一种三维全极化的超表面隐身衣 |
| CN106877003A (zh) * | 2017-03-22 | 2017-06-20 | 桂林电子科技大学 | 一种反射型超宽带太赫兹极化可重构圆极化器 |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110398180A (zh) * | 2019-08-13 | 2019-11-01 | 杨婷 | 一种基于石墨烯超表面的反射式隐身装置 |
| 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 |
| CN111834753A (zh) * | 2020-08-06 | 2020-10-27 | 中国人民解放军空军工程大学 | 全极化超表面地毯隐身衣及其设计方法 |
| CN111834753B (zh) * | 2020-08-06 | 2021-12-14 | 中国人民解放军空军工程大学 | 全极化超表面地毯隐身衣及其设计方法 |
| CN113239419A (zh) * | 2021-04-14 | 2021-08-10 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于厚度和尺寸变化的蜂窝结构可调谐超表面的设计方法 |
| CN113239419B (zh) * | 2021-04-14 | 2022-03-29 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于厚度和尺寸变化的蜂窝结构可调谐超表面的设计方法 |
| CN114527521A (zh) * | 2022-03-04 | 2022-05-24 | 郑州航空工业管理学院 | 一种偏振不敏感的主动超表面隐身斗篷 |
| CN114527521B (zh) * | 2022-03-04 | 2023-07-07 | 郑州航空工业管理学院 | 一种偏振不敏感的主动超表面隐身斗篷 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110057247B (zh) | 2021-11-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110057247A (zh) | 一种基于石墨烯超表面的反射式隐身方法及装置 | |
| Qu et al. | Terahertz reflecting and transmitting metasurfaces | |
| Ozden et al. | Metamaterial based broadband RF absorber at X-band | |
| Xu et al. | Hybrid metasurfaces for infrared-multiband radar stealth-compatible materials applications | |
| CN107942418B (zh) | 一种基于十字形石墨烯材料的太赫兹双波带吸收器及其应用 | |
| He et al. | Dual-band terahertz metamaterial absorber with polarization insensitivity and wide incident angle | |
| Chen et al. | Wideband tunable cross polarization converter based on a graphene metasurface with a hollow-carved “H” array | |
| Sakran et al. | Absorbing frequency-selective-surface for the mm-wave range | |
| Hossain et al. | Polarization-insensitive infrared-visible perfect metamaterial absorber and permittivity sensor | |
| Kim et al. | Ultra-broadband microwave metamaterial absorber based on resistive sheets | |
| US20190170484A1 (en) | Metasurface device for cloaking and related applications | |
| Zhou et al. | Terahertz metamaterial modulators based on absorption | |
| Zhao et al. | An ultra-wideband and wide-angle optically transparent flexible microwave metamaterial absorber | |
| CN111048908B (zh) | 一种光学透明型宽带超表面Salisbury屏吸波结构设计方法 | |
| KR102246363B1 (ko) | 전기쌍극자의 공간채움을 이용한 광대역 초고굴절률 중시 결정 구조체 및 이를 이용한 광학 장치 | |
| Zhu et al. | A high Q-factor metamaterial absorber and its refractive index sensing characteristics | |
| Xuan et al. | Origami-based stretchable bi-functional metamaterials: reflector and broadband absorber | |
| Zhou et al. | Switchable bifunctional metamaterial for terahertz anomalous reflection and broadband absorption | |
| Yoo et al. | Flexible perfect metamaterial absorbers for electromagnetic wave | |
| CN108777368A (zh) | 基于石墨烯超表面的反射式圆极化平面超透镜 | |
| Lv et al. | Broadband and wide-angle terahertz carpet cloaks based on pattered graphene metasurfaces | |
| Jamilan et al. | Design and characterization of a dual-band metamaterial absorber based on destructive interferences | |
| Feng et al. | Ultra-broadband terahertz absorber based on double truncated pyramid structure | |
| Ha et al. | Optically transparent metasurface radome for RCS reduction and gain enhancement of multifunctional antennas | |
| Raeis-Zadeh et al. | Analysis of electromagnetic wave scattering by graphene flakes using the generalized multipole technique |
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 |