CN112292014A - 基于相变材料和石墨烯的微波透射通带可调高透光光窗 - Google Patents

基于相变材料和石墨烯的微波透射通带可调高透光光窗 Download PDF

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Abstract

一种基于相变材料和石墨烯的微波透射通带可调高透光光窗属于光学透明电磁屏蔽及微波通信领域。该高透光电磁屏蔽光窗由图案化石墨烯层、透明介质层和集成相变材料的频率选择表面层共同构成，集成相变材料的频率选择表面层和图案化石墨烯层分别平行放置于透明介质层的两侧。所述的集成相变材料的频率选择表面层是由栅网化孔径型频率选择表面、栅网化贴片型频率选择表面和微小相变材料贴片组成。本发明解决了现有的微波吸收技术难以同时实现高光学透明性、可调的透射通带和以吸收为主的带外抑制的问题，具有高透光、透射通带可调和带外抑制以吸收为主的特点。

Description

基于相变材料和石墨烯的微波透射通带可调高透光光窗
技术领域
本发明属于光学透明电磁屏蔽及微波通信领域，特别涉及一种基于相变材料和石墨烯的微波透射通带可调高透光光窗。
背景技术
近年来，电磁波与人们日常生活的联系愈发密切，随着广播、电视、雷达、卫星通讯和导航、无线定位技术、移动通信/手机、物联网等技术的快速发展，具有发射和接收电磁波功能的设备成数量级的增加。电磁波的应用波段不断展宽，电磁波强度不断增大，使得空间电磁环境日益复杂。电磁波的广泛应用在给人们生活带来便利的同时，包含对人体健康带来的危害和对电子设备造成电磁干扰从而产生系统失效等问题的副作用也越来越引起人们的重视。因此，实现对电磁干扰的有效屏蔽和对电磁波的调控将是未来电子设备发展中必须考虑的问题。
电磁屏蔽主要以电磁反射和电磁吸收两种方式实现，其中吸收型的电磁屏蔽方法因无电磁波反射回空间，是较为理想的电磁屏蔽方法，特别是在军事装备的雷达隐身方面，极具有应用价值。目前，电磁屏蔽的一个难点和热点问题是对光学透明元器件的屏蔽，如飞机/卫星/舰船/汽车的光窗、光学仪器光窗和显示面板、电磁隔离室和保密设施光窗、通讯设备的透明元件、手机触屏等。在这些领域中开发透明吸波材料和器件具有十分广阔的应用前景。
与传统的金属吸收剂相比，石墨烯具有优异的电子、光学、热、机械性能，已成为吸波材料的研究热点，其中基于石墨烯的吸波材料可以分为透明和不透明两种类型。专利201721866639.3、201820091585.6、201721279384.0、201610480681.5、20162065416.2、201610361365.6均描述了不透明的石墨烯吸波材料，由于石墨烯的相对介电常数实部在太赫兹波段为负，因此在太赫兹波段中石墨烯表现出金属的性质并支持表面等离子体激元，然而石墨烯在微波波段中表现出和在太赫兹波段中不同的性质，因此，此类石墨烯吸波材料只适用于太赫兹波段而不适用于微波波段。其次，此类不透明的石墨烯吸波材料没有考虑光学透明性，因此无法应用于光学透明元器件上。专利CN103596413A公开了一种用于微波和太赫兹频率的宽带电磁辐射吸收的基于石墨烯的结构和方法；专利201510448956.2、201510449179.3、201510449150.5、201510449163.2描述了一类由石墨烯和透明导电膜组成的以吸收为主的透明电磁屏蔽器件，这类以吸收为主的透明电磁屏蔽器件利用了射频辐射多次穿过石墨烯层被强吸收而可见光仅透过层叠结构一次的特性来同时实现高透明度和强微波吸收。以上所有基于石墨烯的吸波器都存在吸收带宽和吸收频率固定的问题，无法在不重建几何结构的前提下改变其吸收频率或吸收幅值。
在透明吸波领域，除了基于石墨烯的透明吸波器之外，也可利用放置在透明介质两端的图案化ITO薄膜和高反射ITO膜实现透明吸收，例如专利201820695006.9、201810537235.2、201710989070.8、201710269626.6、201610721042.3、201610408829.4等。但是基于ITO的透明吸波材料难以实现宽波段高透光率，无法满足某些对透明度要求高的场合，且同样存在无法在不重建几何结构的前提下改变其吸收频率或吸收幅值的问题。
专利JP2001111291A公开了一种由透明吸收膜、透明薄板和透明反射膜组成的透明电波吸收体，可以同时实现透明性和吸收。然而该发明要求透明薄板的厚度为1/4波长，使得该发明在很多实际应用场合中并不适用，尤其在低频环境下。同时波长与频率相对应，一旦器件制作完成，无法在不改变厚度的前提下，改变吸收的中心频率。
不同的电子设备或不同的应用场合都具有特定的电磁频率/频段，对于某个设备有用的频段，可能会成为另外一个设备的电磁干扰。因而对于特定的设备，人们总是希望很好地利用其工作频段，而有效地抑制其他频带。频率选择表面技术可以满足该应用的需求，其可以在某些频段中实现高效透过(孔径型)或者反射(贴片型)从而实现带通或者带阻等功能，并且已在微波雷达和天线等领域成功应用。然而，传统频率选择表面主要由金属或导电材料制成，以孔径型为例，其抑制机理以反射为主而不是吸收，不利于电磁干扰的彻底消除，且光学透明性不理想，不适用于透明光学元器件。另一方面，频率选择表面一经制备，其频率选择特性固定，很难对其“关闭”或者调节，这也限制了其应用的灵活性。
专利201710251465.8和201510791900.7皆为基于频率选择表面(FrequencySelective Surface，FSS)的吸波材料，且利用FSS的频率选择特性实现了吸收传输一体化的设计。虽然其抑制机理以吸收为主，但是两个专利皆不具有良好的光学透明性，且其工作频段固定。
专利201310385579.3和201310385579.9均提到了一类金属网栅上的十字孔型周期阵列结构，所述的金属网栅为圆孔型金属网栅、六边形金属网栅或方格形金属网栅，首次将十字孔径型FSS光学透明化，但是，这两个专利对需要光学透明化的FSS有一定的约束条件，即只能针对十字孔径型频选，并且所述的十字孔径型的周期、缝宽、缝长必须为金属网栅周期的整数倍，其后，专利201510262958.2和201510262957.8提出了将裂痕网栅应用于周期开孔结构。
现有技术中，上述金属网栅FSS受限制于网栅和FSS的种类，不同类型的金属网栅与不同类型的FSS组合的有效性尚不确定，且未经过优化设计的金属网栅FSS可能存在选频特性不佳问题；另外，若金属网栅FSS选择用方形、圆形或者六边形等简单金属网栅，会造成高级次衍射能量分布集中，影响光学系统的成像质量；若如专利201510262958.2和201510262957.8所示采用裂痕网栅，尽管高级次衍射能量分布有改善，但仍有裂痕网栅加工复杂、透光和电磁屏蔽能力不易控制等问题。上述金属网栅FSS都存在选频特性固定不能调节的问题。
专利201811062061.5、201810626249.1和201610220782.9中将PIN二极管与金属FSS相结合，利用偏置电压调节PIN二极管的状态以实现可调吸收，但金属固有的不透明性以及PIN二极管等可调器件的不透明性导致整体光学透明性不佳。专利201210570546.1描述了一种由双层FSS、包括聚合物与固态电介质的混合物夹层、导线、电源线和开关组成的具有开关功能的空间滤波器，可以实现良好滤波功能和电磁屏蔽特性的切换，但其电控制装置复杂，且双层FSS和中间的混合物夹层均不透光，因此无法应用于透明领域。
专利201710899625.X“基于石墨烯和频率选择表面的超薄电磁吸波表面”描述了一种由电解液石墨烯三明治层、金属频率选择表面、金属背板组成的复合结构，实现一种可动态调控的反射表面，可以在外加电压的作用下动态调控该装置的“吸波”和“反射”两种工作状态。专利201610592098.3、201610895771.0、201710523269.1、201710954128.5、201810060896.0、20181425436.3、201810417016.0、201820719235.X也都是基于石墨烯的可调吸波器，这些专利是利用石墨烯的电可调性，通过改变外部电压控制石墨烯的电导率或化学势，从而控制吸波器的特性，但是这些专利通常需要用到大面积金属以产生强反射而没有光学透明性，并且通过外加电压控制石墨烯的方法较为复杂同时也会影响透光。且这些调节方式通常只能调节吸收能力的强弱，无法实现带外抑制以吸收为主的带通滤波器中通带频率的可调。
专利20131025379.X、201310253788.2、201710398776.7和201810377846.5都提到了利用相变材料实现可调滤波或吸收，其中专利20131025379.X由频率选择表面金属层和热致相变材料层组成，实现了带通滤波器和全屏蔽的切换。专利201310253788.2描述了一种热致相变材料制成的频率选择表面，实现了全透与带阻滤波器之间的切换。专利201810377846.5描述了一种由多个金属贴片组成的贴片层、介质层和二氧化钒薄膜层组成的多层结构，专利201710398776.7描述了一种基于二氧化钒薄膜的频率可调共面紧凑型人工磁导体结构，专利201810377846.5和201710398776.7皆可实现固定频段中吸收和反射的切换。但是由于相变材料本身的光学透光率在金属态时只有30％，因此若要将其应用于透明光窗上，需要严格控制其相对面积。然而上述专利中，都是利用大面积的相变材料来实现可调滤波或吸收，没有考虑到光学透明性，无法应用于光窗上。
综上所述，现有的透明电磁屏蔽技术及频率选择表面等难以同时实现高光学透明性、可调的透射通带和以吸收为主的带外抑制。拥有光学透明性的微波吸收技术通常随着器件的制备完成，工作频率随之固定，无法在不重构其几何特征的前提下，改变其工作频率，例如基于ITO的吸波器，和基于石墨烯/透明导电膜的透明电磁屏蔽器件。拥有通带可调特性的FSS，通常又存在透光率较差或不考虑透光、加载有源器件导致设计和激励调控复杂、难以进行小型化设计等问题，而且此类通带可调FSS通常其带外抑制以反射为主，反射的电磁波会对空间环境造成二次污染。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有透明电磁屏蔽及频率选择表面等方案的不足，特别是针对现有技术难以同时实现高光学透明性、可调的透射通带和以吸收为主的带外抑制，研发一种基于相变材料和石墨烯的微波透射通带可调高透光光窗，以同时实现高光学透明性，可调的透射通带和以吸收为主的带外抑制。
本发明采用的技术方案是：基于相变材料和石墨烯的微波透射通带可调高透光光窗：所述光窗包括图案化石墨烯层、透明介质层和集成相变材料的频率选择表面层；所述图案化石墨烯层和集成相变材料的频率选择表面层平行放置于透明介质层的两侧；所述的图案化石墨烯层是指通过在单层石墨烯上设置按照二维阵列周期排布的孔径单元将单层石墨烯图案化；所述的集成相变材料的频率选择表面层是由栅网化孔径型频率选择表面、栅网化贴片型频率选择表面和相变材料贴片组成，栅网化孔径型频率选择表面和栅网化贴片型频率选择表面的阵列单元周期相同且金属覆盖部分无重合处；若集成相变材料的频率选择表面层的阵列单元内仅包含一片栅网化贴片型频率选择表面，则至少1片相变材料贴片将栅网化孔径型频率选择表面和栅网化贴片型频率选择表面连接；若集成相变材料的频率选择表面层阵列单元内包含多个栅网化贴片型频率选择表面，则每个栅网化贴片型频率选择表面至少与栅网化孔径型频率选择表面通过1片相变材料贴片直接连接，或至少与其它一个栅网化贴片型频率选择表面通过至少1片相变材料贴片连接并间接连接到栅网化孔径型频率选择表面，且相变材料贴片在连接处宽度大于150nm，确保在相变材料为金属态时，所有栅网化贴片型频率选择表面和栅网化孔径型频率选择表面互相连通；集成相变材料的频率选择表面层中相变材料的面积比t小于0.04；所述的孔径型频率选择表面是指在金属薄膜上由孔径单元按照二维阵列周期排布构成；所述贴片型频率选择表面是指在衬底表面上由金属贴片单元按照二维阵列周期排布构成；所述相变材料是指可在外部激励驱动下实现绝缘态到金属态可逆变化的材料；所述集成相变材料的频率选择表面层中相变材料的面积比t是指在一个集成相变材料的频率选择表面层的阵列单元内，相变材料贴片的总面积与阵列单元面积的比值；所述栅网化是指在保持频率选择表面金属部分边缘形状特征的前提下，其内部金属用金属网栅代替，边缘部分保留的金属线条宽度大于等于金属网栅线条宽度；所述金属网栅是指由网栅单元按二维阵列排布构成的栅网状微细金属结构；所述微波透射通带可调高透光光窗在相变材料为绝缘态时，光窗为微波波段内的带通滤波器，在相变材料为金属态时，光窗透射通带产生频移。
作为一种优选基本结构，上述的基于相变材料和石墨烯的微波透射通带可调高透光光窗，所述相变材料包括二氧化钒、三氧化二钒、氧化钒。
作为一种优选基本结构，上述的基于相变材料和石墨烯的微波透射通带可调高透光光窗，所述的外部激励驱动包括光、温度、电场、磁场、应力。
作为一种优选基本结构，上述的基于相变材料和石墨烯的微波透射通带可调高透光光窗，所述的孔径单元形状包括十字孔形、圆孔形、方孔形、Y孔形、耶路撒冷孔形、六边孔形、偶极子孔形、锚形孔。
作为一种优选基本结构，上述的基于相变材料和石墨烯的微波透射通带可调高透光光窗，所述的贴片单元形状包括十字形、Y形、圆形、方形、耶路撒冷形、六边形、偶极子形、锚形。
作为一种优选基本结构，上述的基于相变材料和石墨烯的微波透射通带可调高透光光窗，所述金属网栅包括方格网栅、圆环网栅、三角分布圆环及子圆环阵列网栅、基于随机分布圆环的金属网栅、基于多周期金属圆环嵌套阵列网栅。
作为一种优选基本结构，上述的基于相变材料和石墨烯的微波透射通带可调高透光光窗，所述相变材料与栅网化FSS的连接包括直接连接、覆盖连接和镶嵌连接，相变材料的厚度大于150nm。
作为一种优选基本结构，上述的基于相变材料和石墨烯的微波透射通带可调高透光光窗，所述透明介质层可以为任意透明材料，只要能够作为满足使用场合要求的透明光窗材料，包括普通玻璃、石英玻璃、红外材料及透明树脂材料。
作为一种优选基本结构，上述的基于相变材料和石墨烯的微波透射通带可调高透光光窗，所述的栅网化孔径型频率选择表面和栅网化贴片型频率选择表面中金属网栅的金属线条宽度为微米量级或亚微米量级；所述的栅网化孔径型频率选择表面和栅网化贴片型频率选择表面均由导电性能良好的金属构成，且金属厚度大于100nm。
本发明的创新性和良好效果是：
1、本发明提出由栅网化孔径型频率选择表面、栅网化贴片型频率选择表面和相变材料贴片组成集成相变材料的频率选择表面，栅网化孔径型频率选择表面和栅网化贴片型频率选择表面的阵列单元周期相同且金属覆盖部分无重合处；若集成相变材料的频率选择表面层的阵列单元内仅包含一片栅网化贴片型频率选择表面，则至少1片相变材料贴片将栅网化孔径型频率选择表面和栅网化贴片型频率选择表面连接；若集成相变材料的频率选择表面层阵列单元内包含多个栅网化贴片型频率选择表面，则每个栅网化贴片型频率选择表面至少与栅网化孔径型频率选择表面通过1片相变材料贴片直接连接，或至少与其它一个栅网化贴片型频率选择表面通过至少1片相变材料贴片连接并间接连接到栅网化孔径型频率选择表面，且相变材料贴片在连接处宽度大于150nm，确保在相变材料为金属态时，所有栅网化贴片型频率选择表面和栅网化孔径型频率选择表面互相连通；集成相变材料的频率选择表面层中相变材料的面积比t小于0.04。这样设置的良好效果在于：由于相变材料通过包括光、温度、电场、磁场、应力等外部激励即可实现从绝缘态到金属态的可逆变化，在相变材料为金属态时，所有栅网化贴片型频率选择表面和栅网化孔径型频率选择表面互相连通，相变材料为绝缘态时，栅网化贴片型频率选择表面和栅网化孔径型频率选择表面互相隔离，利用相变材料可从绝缘态到金属态的可逆变化就可以在集成相变材料的频率选择表面层形成不同形状的频选单元，从而实现不同的选频特性；本发明解决了传统可调频率选择表面通过加载有源器件导致设计和激励调控复杂、难以进行小型化设计等问题；而且，通过应用不同的相变材料(如相变温度不同的材料)、对相变材料贴片数量的控制、以及空间布置方式的改变，可产生多种可调的频选特性；通过对相变材料贴片在连接处宽度和相变材料的面积比的设置，可以确保相变材料在金属态时可靠的电连接以及对光学透明性影响微小，实现高透明性。
2、本发明提出将图案化石墨烯与集成相变材料的频率选择表面结合，集成相变材料的频率选择表面作为带通滤波器，通带范围内的电磁波仅通过一次图案化单层石墨烯并且将石墨烯图案化可以降低通带电磁波通过石墨烯时的损耗，可以有效减小通带损耗；而通带之外的电磁波被集成相变材料的频率选择表面反射回图案化石墨烯层，在图案化石墨烯和集成相变材料的频率选择表面之间进行多次反射，从而使通带之外的电磁波经历了多次石墨烯的吸收，可以实现以吸收为主的带外抑制。除此之外，采用单层石墨烯作为吸收的主体，其本身具有良好的光学透明性，将石墨烯图案化还可以实现更好的透光率。
3、本发明提出将不同类型金属网栅用于传统频率选择表面的金属部分的栅网化，在保持频率选择表面金属部分边缘形状特征的前提下，其内部金属用金属网栅代替，边缘部分保留的金属线条宽度大于等于金属网栅线条宽度，这样的设置不仅解决了传统频率选择表面因金属覆盖面积过大导致透光率低下以及频选高级次衍射能量集中的问题，而且边缘形状特征的保留，有利于相变材料贴片、栅网化孔径型频率选择表面和栅网化贴片型频率选择表面可靠连接，此外，边缘部分形状特征的保留还解决了传统金属网栅频率选择表面因边缘引起谐振导致选频特性不佳的问题；同时通过使用不同类型的网栅如随机网栅可以进一步提高栅网化频率选择表面高级次衍射能量分布的均匀性，解决传统金属网栅频率选择表面高级次衍射能量分布集中导致成像质量不佳的问题。
综上，本发明可以同时实现高光学透明性、可调的选频特性和以吸收为主的带外抑制，是一种透射通带可调的高透光微波吸收光窗。
附图说明：
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1是基于相变材料和石墨烯的微波透射通带可调高透光光窗的一种优选结构剖面示意图。
图2是集成相变材料的频率选择表面层的结构示意图。
图3是利用三角分布圆环及子圆环阵列网栅对十字孔径型频率选择表面进行栅网化的示意图。
图4是不同孔径单元形状的示意图。
图5是不同贴片单元形状的示意图。
图6是不同类型的金属网栅示意图。
图7是相变材料和金属的不同连接方式示意图。
图8是实施例1的结构示意图。
图9是实施例1中两种情况下的电磁屏蔽特性对比图。
图10是实施例1中两种情况下的微波吸收率对比图。
图11是实施例2的结构示意图。
图12是实施例2中两种情况下的电磁屏蔽特性对比图。
图13是实施例2中两种情况下的微波吸收率对比图。
图14是实施例3的结构示意图。
图15是实施例3中三种情况下的电磁屏蔽特性对比图。
图16是实施例3中三种情况下的微波吸收率对比图。
图中件号说明：1.保护层；2.增透层；3.图案化石墨烯层；4.黏连层；5.透明介质层；6.黏连层；7.集成相变材料的频率选择表面层；8.增透层；9.保护层；10.金属；11.相变材料；12.透明介质；71.栅网化孔径型频率选择表面；72.栅网化贴片型频率选择表面；73.相变材料贴片。
具体实施方式
下面参照附图和优选实施例对本发明进一步的描述：本发明的目的是这样实现的：所述图案化石墨烯层3和集成相变材料的频率选择表面层7平行放置于透明介质层5的两侧；所述的图案化石墨烯层3是指通过在单层石墨烯上设置按照二维阵列周期排布的孔径单元将单层石墨烯图案化；所述的集成相变材料的频率选择表面层7是由栅网化孔径型频率选择表面71、栅网化贴片型频率选择表面72和相变材料贴片73组成，栅网化孔径型频率选择表面71和栅网化贴片型频率选择表面72的阵列单元周期相同且金属覆盖部分无重合处；若集成相变材料的频率选择表面层7的阵列单元内仅包含一片栅网化贴片型频率选择表面72，则至少1片相变材料贴片73将栅网化孔径型频率选择表面71和栅网化贴片型频率选择表面72连接；若集成相变材料的频率选择表面层7阵列单元内包含多个栅网化贴片型频率选择表面72，则每个栅网化贴片型频率选择表面72至少与栅网化孔径型频率选择表面71通过1片相变材料贴片73直接连接，或至少与其它一个栅网化贴片型频率选择表面72通过至少1片相变材料贴片73连接并间接连接到栅网化孔径型频率选择表面71，且相变材料贴片73在连接处宽度大于150nm，确保在相变材料为金属态时，所有栅网化贴片型频率选择表面72和栅网化孔径型频率选择表面71互相连通；集成相变材料的频率选择表面层7中相变材料的面积比t小于0.04；所述的孔径型频率选择表面是指在金属薄膜上由孔径单元按照二维阵列周期排布构成；所述贴片型频率选择表面是指在衬底表面上由金属贴片单元按照二维阵列周期排布构成；所述相变材料是指可在外部激励驱动下实现绝缘态到金属态可逆变化的材料；所述集成相变材料的频率选择表面层7中相变材料的面积比t是指在一个集成相变材料的频率选择表面层7的阵列单元内，相变材料贴片73的总面积与阵列单元面积的比值；所述栅网化是指在保持频率选择表面金属部分边缘形状特征的前提下，其内部金属用金属网栅代替，边缘部分保留的金属线条宽度大于等于金属网栅线条宽度；所述金属网栅是指由网栅单元按二维阵列排布构成的栅网状微细金属结构；所述微波透射通带可调高透光光窗在相变材料为绝缘态时，光窗为微波波段内的带通滤波器，在相变材料为金属态时，光窗透射通带产生频移
图1是基于相变材料和石墨烯的微波透射通带可调高透光光窗的一种优选结构剖面示意图，所述透明介质层5可以为任意透明材料，只要能够作为满足使用场合要求的透明光窗材料，同时能够将图案化石墨烯层3和集成相变材料的频率选择表面层7按一定工艺流程加工于其表面，包括普通玻璃、石英玻璃、红外材料及透明树脂材料；黏连层(4和6)帮助将图案化石墨烯层3和集成相变材料的频率选择表面层7固定于透明介质层5的两侧；单层或者多层增透膜(2和8)增强光窗的透光能力；单层或者多层的保护层9被用来保护集成相变材料的频率选择表面层7，以防止金属部分被划伤或长期暴露于空气中造成腐蚀和氧化，避免影响集成相变材料的频率选择表面层7的电磁屏蔽性能；单层或者多层的保护层1被用来保护图案化石墨烯层3，以防止石墨烯被划伤或与有机溶剂接触造成石墨烯脱落，避免影响图案化石墨烯层3的微波吸收性能；若加了增透膜(2或者8)，单层或者多层的保护层(1和9)可以用来保护增透膜以防止其被划伤从而造成透光能力的下降。实际应用中，图案化石墨烯层3、透明介质5、集成相变材料的频率选择表面层7是本发明不可或缺的因素，根据工艺和实际应用场合，黏连层(4和6)、增透膜(2和8)和保护层(1和9)可以具备或不具备。
图2列举了本发明中两种情况下集成相变材料的频率选择表面层7的结构示意图，集成相变材料的频率选择表面层7如图2所示，包括栅网化孔径型频率选择表面71、栅网化贴片型频率选择表面72和相变材料贴片73三部分，其中灰色贴片部分代表相变材料贴片73，黑色线条代表金属，用黑色虚线框起来的部分代表集成相变材料的频率选择表面层7的一个单元结构。图2(a)为集成相变材料的频率选择表面层7单元内仅包含一片栅网化贴片型频率选择表面72的情况，利用4片相变材料贴片73将栅网化孔径型频率选择表面71和栅网化贴片型频率选择表面72直接连接；图2(b)为集成相变材料的频率选择表面层7单元内包含三片栅网化贴片型频率选择表面72的情况，除了利用4片相变材料贴片73将栅网化孔径型频率选择表面71和栅网化贴片型频率选择表面72直接连接，栅网化贴片型频率选择表面72还与其它两个栅网化贴片型频率选择表面72通过2片相变材料贴片73连接并间接连接到栅网化孔径型频率选择表面71。从图中可以看出，栅网化孔径型频率选择表面71和栅网化贴片型频率选择表面72的阵列单元周期相同且金属覆盖部分无重合处。相变材料贴片73在连接处宽度大于150nm以确保在相变材料和金属有良好的连接。
图3为利用三角分布圆环及子圆环阵列网栅对十字孔径型频率选择表面进行栅网化的示意图，孔径型频率选择表面通常如图3(a)所示，具有大面积的金属导致结构的透光率很差，因此需要利用金属网栅对其进行栅网化处理从而改善透光率。以图3(a)的十字孔径型频率选择表面为例，利用三角分布圆环及子圆环阵列网栅对其进行栅网化处理得到的单元结构如图3(b)所示，与图3(a)相比，金属覆盖面积明显减小，透光率大幅度提升。为了保证栅网化之后十字孔径型频率选择表面的选频特性不变，因此对十字孔径型频率选择表面的边缘部分保留宽度大于等于金属网栅线条宽度的金属线条。其余频率选择表面结构也可以利用不同的金属网栅对其进行栅网化处理：在保持频率选择表面金属部分边缘形状特征的前提下，其内部金属用金属网栅代替，边缘部分保留的金属线条宽度大于等于金属网栅线条宽度。
图4为不同孔径单元形状的示意图，(a)为十字孔形，(b)为圆孔形，(c)为方孔形，(d)为Y孔形，(e)为耶路撒冷孔形，(f)为六边孔形，(g)为偶极子孔形，(h)为锚形孔。孔径单元在单层石墨烯上按照二维阵列周期排布即可构成图案化的石墨烯层3；而孔径单元在金属薄膜上按照二维阵列周期排布即可构成孔径型频率选择表面。
图5为不同贴片单元形状的示意图，(a)为十字形，(b)为圆形，(c)为方形，(d)为Y形，(e)为耶路撒冷形，(f)为六边形，(g)为偶极子孔形，(h)为锚形。由金属构成的贴片单元在衬底表面上按照二维阵列周期排布即可构成贴片型频率选择表面。
图6为不同类型的金属网栅结构示意图，(a)为方格网栅，(b)为圆环网栅，(c)为三角分布圆环及子圆环阵列网栅，(d)为基于随机分布圆环的金属网栅，(e)为基于多周期金属圆环嵌套阵列网栅；(a)和(b)为金属网栅的基本结构，在此基础上，金属网栅还有很多类型，如引入子圆环结构的(c)，添加随机元素的(d)和利用多周期的(e)，这三类金属网栅可以进一步提高栅网化频率选择表面高级次衍射能量分布的均匀性，解决传统金属网栅频率选择表面高级次衍射能量分布集中导致成像质量不佳的问题。在对成像质量要求比较高的场合中，可以利用此类网栅对孔径型频率选择表面和贴片型频率选择表面进行栅网化，以降低对成像系统的影响。
图7为不同相变材料11和金属10的连接方式示意图，(a)表示相变材料11和金属10的直接连接，该方法的工艺最简单，利用紫外光刻工艺结合材料生长工艺即可实现。(b)和(c)表示相变材料11和金属10的覆盖连接，在设计相变材料贴片和金属频率选择表面的形状时，需要提前设计一部分的交叠部分，同样结合紫外光刻工艺和材料生长工艺就可以实现。(d)和(e)表示相相变材料11和金属10的镶嵌连接，该方法在覆盖连接的基础上，需要配合刻蚀工艺，因此该方法最为复杂，但是在容易变形的场合中，该连接方法连接的更为紧密。
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本文发明做更清楚、完整的描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
实施例1：
根据本发明的一个实施例如图8所示，其整体结构示意图如图8(a)所示，由顶部第一层具有十字孔的图案化石墨烯层、第二层透明二氧化硅、第三层集成相变材料的频率选择表面层构成，其中第三层集成相变材料的频率选择表面层的结构示意图如图8(b)所示。本实例中栅网化所用金属网栅采用三角分布圆环及子圆环阵列网栅；孔径型频率选择表面选择十字孔径型频率选择表面；贴片型频率选择表面选择偶极子贴片型频率选择表面；所选取的石墨烯方阻约为327Ω，单层石墨烯的透光率约为97.7％；透明二氧化硅介电常数为ε1＝3.75；相变材料采用温控相变材料二氧化钒，当温度小于相变温度时，二氧化钒为绝缘态方阻大于1000Ω，当温度大于相变温度时，二氧化钒为金属态，方阻小于50Ω，在温度达到相变温度时，二氧化钒可在皮秒时间尺度从绝缘态转换成金属态；金属和相变材料的厚度均为400nm；金属和相变材料采用图7(a)直接连接的方式进行连接；所采用的金属为铝。所用的相变材料的温度驱动可由外部电压施加给栅网化孔径型频率选择表面导致其发热，从而造成温度上升至相变温度。
由于透明微波吸收光窗的重要参数之一为透光率，因此对实施例1样件的透光率进行分析，图案化石墨烯层3的透光约为98％；未栅网化的之前的十字孔径型频率选择表面透光损耗为79.69％，利用透光率为96.9％的三角分布圆环及子圆环阵列网栅进行栅网化，得到的栅网化十字孔径型频率选择表面的透光损耗为2.47％；同理得到栅网化偶极子贴片型频率选择表面的透光损耗为0.133％；相变材料在金属态的透光较差仅为30％，由于所用相变材料总面积仅1.95％，由此，相变材料的总损耗为1.37％，集成相变材料的频率选择表面层7的透光为96.03％。综上所述，结构的整体透光率大于94.11％。远大于目前报道的透明微波吸收器件的透光率，在对透明性要求高的场合仍为适用。
本发明的效果可通过图9和10进一步说明：
采用不同的温度值，对本实施例进行电磁屏蔽特性和微波吸收率的仿真，得到的电磁屏蔽特性如图9所示，得到的吸收率结果如图10所示。从图9、10中可以看出，当温度低于相变温度T时，带通滤波特性的通带在17.8GHz，且其通带损耗仅-4.42dB，可以实现良好的通带滤波效果，结构的峰值吸收率在12.68GHz可达90％，次峰值吸收率在22.88GHz也可达到88.9％，从图中可以看出其带外抑制以吸收为主；当温度高于相变温度T时，光窗通带产生平移，在相变材料为低温时的通带(17.8GHz)处损耗变为-32.16dB，在17.36GHz可达最大吸收峰值99.434％，且可在13.54-21.16GHz波段实现大于90％的宽频吸收，保持吸收率大于90％的带宽约为7.617GHz，所以其带外抑制仍以吸收为主。
实施例2：
根据本发明的一个实施例如图11所示，其整体结构示意图如图11(a)所示，由顶部第一层具有十字孔的图案化石墨烯层、第二层透明二氧化硅、第三层集成相变材料的频率选择表面层构成，其中第三层集成相变材料的频率选择表面层的结构示意图如图11(b)所示。本实施例中栅网化所用金属网栅采用三角分布圆环及子圆环阵列网栅；孔径型频率选择表面选择十字孔径型频率选择表面；贴片型频率选择表面选择为四个中心对称的偶极子贴片；所选取的石墨烯方阻约为327Ω，单层石墨烯的透光率约为97.7％；透明二氧化硅介电常数为ε1＝3.75；相变材料采用二氧化钒，当相变材料处于绝缘态时，其方阻大于1000Ω，当相变材料处于金属态时，其方阻小于50Ω，二氧化钒可在皮秒时间尺度从绝缘态转换成金属态；金属和相变材料的厚度均为400nm；金属和相变材料采用图7(a)直接连接的方式进行连接；所采用的金属为铝。
由于透明微波吸收光窗的重要参数之一为透光率，因此对实施例2样件的透光率进行分析，图案化石墨烯层3的透光约为98％；未栅网化的之前的十字孔径型频率选择表面透光损耗为84.27％，利用透光率为96.9％的三角分布圆环及子圆环阵列网栅进行栅网化，得到的栅网化十字孔径型频率选择表面的透光损耗为2.61％；同理得到四片栅网化偶极子贴片型频率选择表面的透光损耗为0.19％；相变材料在金属态的透光较差仅为30％，由于所用相变材料总面积仅2.34％，由此，相变材料的总损耗为1.64％，集成相变材料的频率选择表面层7的透光为95.56％。综上所述，结构的整体透光率大于93.65％。远大于目前报道的透明微波吸收器件的透光率，在对透明性要求高的场合也同样适用。
本发明的效果可通过图12和13进一步说明：
采用不同的温度值，对本实施例进行电磁屏蔽特性和微波吸收率的仿真，得到的电磁屏蔽特性如图12所示，得到的吸收率结果如图13所示。从图12、13中可以看出，当相变材料处于绝缘态时，带通滤波特性的通带在33.04GHz，且其通带损耗仅-4.24dB，可以实现良好的通带滤波效果，结构的峰值吸收率在43.06GHz可达90.34％，次峰值吸收率在23.74GHz也可达到89％，从图中可以看出其带外抑制以吸收为主；当相变材料处于金属态时，光窗通带产生平移，在绝缘态的通带(33.04GHz)处损耗变为-32.44dB，其吸收曲线在32.26GHz可达最大吸收峰值99.76％，且可在25.523-39.169GHz波段实现大于90％的宽频吸收，保持吸收率大于90％的带宽约为13.646GHz，所以其带外抑制仍以吸收为主。
实施例3
根据本发明的一个实施例如图14所示，其整体结构示意图如图14(a)所示，由顶部第一层具有十字孔的图案化石墨烯层、第二层透明二氧化硅、第三层集成相变材料的频率选择表面层构成，其中第三层集成相变材料的频率选择表面层的结构示意图如图14(b)所示。本实施例中栅网化所用金属网栅采用三角分布圆环及子圆环阵列网栅；孔径型频率选择表面选择十字孔径型频率选择表面；贴片型频率选择表面选择十字贴片型频率选择表面；利用了两种相变温度不同的相变材料，其中灰色贴片代表相变材料为T1的相变材料，灰点贴片代表相变材料为T2的相变材料，所述两种相变材料在温度小于相变温度后，呈绝缘态，两种相变材料的方阻均小于50Ω，所述两种相变材料在温度大于相变温度后，呈金属态，两种相变材料的方阻均方阻大于1000Ω，在温度达到相变温度时，两种相变材料的方阻均可在皮秒时间尺度从绝缘态转换成金属态；所选取的石墨烯方阻约为327Ω，单层石墨烯的透光率约为97.7％；透明二氧化硅介电常数为ε1＝3.75；金属和相变材料的厚度均为400nm；金属和相变材料采用图7(a)直接连接的方式进行连接；所采用的金属为铝。
由于透明微波吸收光窗的重要参数之一为透光率，因此对实施例3样件的透光率进行分析，图案化石墨烯层3的透光约为98％，未栅网化的之前的十字孔径型频率选择表面透光损耗为79.69％，利用透光率为96.9％的三角分布圆环及子圆环阵列网栅进行栅网化，得到的栅网化十字孔径型频率选择表面的透光损耗为2.47％，同理得到栅网化十字贴片型频率选择表面的透光损耗为0.29％，两种相变材料在金属态的透光较差仅为30％，由于所用相变材料总面积仅3.52％，由此，相变材料的总损耗为2.464％，集成相变材料的频率选择表面层7的透光为94.78％。综上所述，结构的整体透光率大于92.88％。远大于目前报道的透明微波吸收器件的透光率，在对透明性要求高的场合也同样适用。
本发明的效果可通过图15和16进一步说明：
采用不同的温度值，对本实施例进行电磁屏蔽特性和微波吸收率的仿真，得到的电磁屏蔽特性如图15所示，得到的吸收率结果如图16所示。从图15、16中可以看出，当温度低于T1时，带通滤波特性的通带在23.92GHz，且其通带损耗仅-3.4dB，可以实现良好的通带滤波效果，结构的峰值吸收率在30.4GHz可达93.76％，次峰值吸收率在18.16GHz也可达到90.4％，从图中可以看出其带外抑制以吸收为主；当温度高于T1但小于T2时，带通滤波特性的通带平移到30.36GHz，且其通带损耗仅-3.6dB，仍可以实现良好的通带滤波效果，结构的峰值吸收率在21.44GHz可达96.15％，次峰值吸收率在34.08GHz也可达到85.1％，同样从图中可以看出其带外抑制仍以吸收为主；而当温度高于T2时，光窗通带继续平移，在温度低于T1时的通带(23.92GHz)处损耗变为-28.2dB，其吸收曲线在24.16GHz可达最大吸收峰值99.52％，且可在19.236-29.318GHz波段实现大于90％的宽频吸收，保持吸收率大于90％的带宽约为10GHz，所以其带外抑制仍以吸收为主。
从实施例1、2和3可以看出，通过设计不同的孔径型频率选择表面和贴片型频率选择表面的结构或尺寸，使得光窗通带在相变材料为绝缘态时，可以实现不同的工作频率，当设计好相变材料在绝缘态时的工作频率，可以通过设计不同的相变材料贴片的数量和位置来实现不同频率的平移。从实施例2中可以看出，如果栅网化贴片型频率选择表面是由多个栅网化贴片型频率选择表面组成，则各个栅网化贴片型频率选择表面之间或者栅网化贴片型频率选择表面与栅网化孔径型频率选择表面之间至少连接一片相变材料贴片，在相变材料为金属态时，所有栅网化贴片型频率选择表面和栅网化孔径型频率选择表面互相连通，就仍然可以实现透射通带可调的微波吸收光窗。从实施例3中可以看出，可以通过使用相变温度不同的相变材料，可产生多种可调的频选特性。除此之外，还有通过对相变材料贴片数量的控制、以及空间布置方式的改变，可产生多种可调的选频特性。
以上描述仅是本发明的三个具体实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.基于相变材料和石墨烯的微波透射通带可调高透光光窗，其特征在于：所述光窗包括图案化石墨烯层(3)、透明介质层(5)和集成相变材料的频率选择表面层(7)；所述图案化石墨烯层(3)和集成相变材料的频率选择表面层(7)平行放置于透明介质层(5)的两侧；所述的图案化石墨烯层(3)是指通过在单层石墨烯上设置按照二维阵列周期排布的孔径单元将单层石墨烯图案化；所述的集成相变材料的频率选择表面层(7)是由栅网化孔径型频率选择表面(71)、栅网化贴片型频率选择表面(72)和相变材料贴片(73)组成，栅网化孔径型频率选择表面(71)和栅网化贴片型频率选择表面(72)的阵列单元周期相同且金属覆盖部分无重合处；若集成相变材料的频率选择表面层(7)的阵列单元内仅包含一片栅网化贴片型频率选择表面(72)，则至少1片相变材料贴片(73)将栅网化孔径型频率选择表面(71)和栅网化贴片型频率选择表面(72)连接；若集成相变材料的频率选择表面层(7)阵列单元内包含多个栅网化贴片型频率选择表面(72)，则每个栅网化贴片型频率选择表面(72)至少与栅网化孔径型频率选择表面(71)通过1片相变材料贴片(73)直接连接，或至少与其它一个栅网化贴片型频率选择表面(72)通过至少1片相变材料贴片(73)连接并间接连接到栅网化孔径型频率选择表面(71)，且相变材料贴片(73)在连接处宽度大于150nm，确保在相变材料为金属态时，所有栅网化贴片型频率选择表面(72)和栅网化孔径型频率选择表面(71)互相连通；集成相变材料的频率选择表面层(7)中相变材料的面积比t小于0.04；所述的孔径型频率选择表面是指在金属薄膜上由孔径单元按照二维阵列周期排布构成；所述贴片型频率选择表面是指在衬底表面上由金属贴片单元按照二维阵列周期排布构成；所述相变材料是指可在外部激励驱动下实现绝缘态到金属态可逆变化的材料；所述集成相变材料的频率选择表面层(7)中相变材料的面积比t是指在一个集成相变材料的频率选择表面层(7)的阵列单元内，相变材料贴片(73)的总面积与阵列单元面积的比值；所述栅网化是指在保持频率选择表面金属部分边缘形状特征的前提下，其内部金属用金属网栅代替，边缘部分保留的金属线条宽度大于等于金属网栅线条宽度；所述金属网栅是指由网栅单元按二维阵列排布构成的栅网状微细金属结构；所述微波透射通带可调高透光光窗在相变材料为绝缘态时，光窗为微波波段内的带通滤波器，在相变材料为金属态时，光窗透射通带产生频移。
2.根据权利要求1所述的基于相变材料和石墨烯的微波透射通带可调高透光光窗，其特征在于：所述相变材料包括二氧化钒、三氧化二钒、氧化钒。
3.根据权利要求1或2所述的基于相变材料和石墨烯的微波透射通带可调高透光光窗，其特征在于：所述的外部激励驱动包括光、温度、电场、磁场、应力。
4.根据权利要求1所述的基于相变材料和石墨烯的微波透射通带可调高透光光窗，其特征在于：所述的孔径单元形状包括十字孔形、圆孔形、方孔形、Y孔形、耶路撒冷孔形、六边孔形、偶极子孔形、锚形孔。
5.根据权利要求1所述的基于相变材料和石墨烯的微波透射通带可调高透光光窗，其特征在于：所述的贴片单元形状包括十字形、Y形、圆形、方形、耶路撒冷形、六边形、偶极子形、锚形。
6.根据权利要求1所述的基于相变材料和石墨烯的微波透射通带可调高透光光窗，其特征在于：所述金属网栅包括方格网栅、圆环网栅、三角分布圆环及子圆环阵列网栅、基于随机分布圆环的金属网栅、基于多周期金属圆环嵌套阵列网栅。
7.根据权利要求1所述的基于相变材料和石墨烯的微波透射通带可调高透光光窗，其特征在于：所述相变材料与栅网化频率选择表面的连接包括直接连接、覆盖连接和镶嵌连接，相变材料的厚度大于150nm。
8.根据权利要求1所述的基于相变材料和石墨烯的微波透射通带可调高透光光窗，其特征在于：所述透明介质层(5)可以为任意透明材料，只要能够作为满足使用场合要求的透明光窗材料，包括普通玻璃、石英玻璃、红外材料及透明树脂材料。
9.根据权利要求1所述的基于相变材料和石墨烯的微波透射通带可调高透光光窗，其特征在于：所述的栅网化孔径型频率选择表面(71)和栅网化贴片型频率选择表面(72)中金属网栅的金属线条宽度为微米量级或亚微米量级；所述的栅网化孔径型频率选择表面(71)和栅网化贴片型频率选择表面(72)均由导电性能良好的金属构成，且金属厚度大于100nm。
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