CN112864634B - 一种完美吸收入射角可调的电磁吸波结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种完美吸收入射角可调的电磁吸波结构，包括按照从上到下顺序层叠的第一石墨烯层、隔膜层、第二石墨烯层、第一介质基板、第一金属层、第二介质基板和第二金属层，第一金属层包括完全相同的m*n个按照m行n列排布的第一金属单元，第一金属单元、第二介质基板和第二金属层上分别设置有m*n个按照m行n列排布的上下贯通的金属化通孔，通过改变第一石墨烯层和第二石墨烯层之间加载的偏置电压，能够改变第一石墨烯层和第二石墨烯层的面阻值，使电磁吸波结构在不同角度下与自由空间波阻抗相匹配，实现不同入射角下电磁波的完美吸收；优点是既能够对完美吸收入射角进行调控，实现电磁波的完美吸收，也能够用于实际生产应用。

Description

一种完美吸收入射角可调的电磁吸波结构
技术领域
本发明涉及一种电磁吸波结构，尤其是涉及一种完美吸收入射角可调的电磁吸波结构。
背景技术
电磁吸波结构作为一种电磁隐身技术，能够吸收入射到雷达表面的电磁波能量，减少雷达散射截面积，从而降低雷达被敌方探测到的可能性，在军事领域中应用十分广泛。近年来，随着探测手段的多样化以及侦察雷达的广泛分布，全角度和多角度的电磁隐身技术已经成为提高电磁隐身性能的迫切需求。
传统的电磁吸波结构利用铁氧体、金属微粉和钛酸钡等材料来吸收电磁波，但这些材料本身性质固定，吸波性能无法进行调节。现有的电磁吸波结构只能在一个预先设置的入射角实现完美吸收(该入射角被称为完美吸收入射角)，即当电磁波入射到雷达表面的角度为完美吸收入射角时，该电磁吸波结构能够实现完美吸收(即吸收效果最优)，一旦电磁波入射方向偏离该完美吸收入射角，吸收效果将下降。其中最典型的例子是Salisbury屏，该Salisbury屏中将阻性面置于由四分之一波长空气层和金属反射面组成的高阻抗面(High impedance surface,HIS)上，当电磁波沿垂直方向入射时，电磁波能量被完美吸收，但是当电磁波入射方向偏离垂直方向时，由于波阻抗和HIS的输入阻抗都随入射角变化，导致Salisbury屏整体的输入阻抗不再与波阻抗匹配，使得反射系数增大，吸收效果变差，具有很大的局限性，难以满足不同入射角度下的隐身性能需求。此外，A.B.Yakovlev等人2010年在IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium中公开了名称为Nonlocal Homogenization Model for the Analysis of Absorbing Properties ofMushroom Structures with Graphene Patches at Microwaves的一种电磁吸波结构，该结构将石墨烯刻蚀成方形贴片，实现电磁波入射角度可调的完美吸收结构。X.Wang等人2018年在International Congress on Artificial Materials for Novel WavePhenomena论文中公开了名称为Graphene-based tunable metasurface for all-angleperfect absorption的一种电磁吸波结构，该结构石墨烯与蘑菇形高阻抗表面直接接触，实现电磁波入射角可调的完美吸波结构。第一种电磁吸波结构需要将石墨烯贴片刻蚀成图案化单元结构，并且需要对其直接施加不同的电压来使不同角度下整个结构的输入阻抗与自由空间波阻抗相匹配，实际生产中无法直接施加电压使不同角度下的阻抗相匹配。第二种结构需要石墨烯与金属直接电接触，并且也需要对其直接施加不同的电压使整个结构的输入阻抗与自由空间波阻抗相匹配，实际生产中也无法直接施加电压使不同角度下的阻抗相匹配。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种完美吸收入射角可调的电磁吸波结构，该电磁吸波结构不但能够在设定范围内对完美吸收入射角进行调控，在调控范围内所有角度下都能够实现电磁波的完美吸收，而且能够采用当前生产工艺实现，能够用于实际生产应用。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种完美吸收入射角可调的电磁吸波结构，包括按照从上到下顺序层叠的第一石墨烯层、隔膜层、第二石墨烯层、第一介质基板、第一金属层、第二介质基板和第二金属层，所述的第一石墨烯层、所述的隔膜层、所述的第二石墨烯层、所述的第一介质基板、所述的第一金属层、所述的第二介质基板和所述的第二金属层之间相互连接；所述的第一石墨烯层、所述的隔膜层、所述的第二石墨烯层、所述的第一介质基板、所述的第二介质基板和所述的第二金属层均为矩形结构，且所述的第一石墨烯层、所述的隔膜层、所述的第二石墨烯层、所述的第一介质基板、所述的第二介质基板和所述的第二金属层在同一平面的俯视图完全重合；所述的第一金属层包括完全相同的m*n个第一金属单元，m*n个所述的金属单元按照m行n列排布，m为大于等于1的整数，n为大于等于1的整数，每个所述的第一金属单元均为正方形金属块，每个所述的第一金属单元的前端面所在平面均平行于所述的第一介质基板的前端面所在平面，位于同一行的n个第一金属单元沿左右方向的对称线位于同一直线，位于同一列的m个第一金属单元沿前后方向的对称线位于同一直线；位于第1行的n个第一金属单元的前端面位于同一平面且该平面位于所述的第一介质基板的前端面所在平面的后侧，位于第1列的m个第一金属单元的左端面所在平面位于所述的第一介质基板的左端面所在平面的右侧，位于第m行的n个第一金属单元的后端面所在平面位于所述的第一介质基板的后端面所在平面的前侧，位于第n列的m个第一金属单元的右端面所在平面位于所述的第一介质基板的右端面所在平面的左侧，任意相邻两个第一金属单元之间的间距相等；所述的第一金属层、所述的第二介质基板和所述的第二金属层上分别设置有m*n个上下贯通的金属化通孔，所述的第一金属层上的m*n个金属化通孔一一对应位于m*n个第一金属单元的中心处，所述的第二介质基板上的m*n个金属化通孔按照m行n列排布，所述的第二金属层上的m*n个金属化通孔按照m行n列排布，所述的第一金属层上的m*n个金属化通孔、所述的第二介质基板上的m*n个金属化通孔以及所述的第二金属层上的m*n个金属化通孔从上到下一一对应，对应的第一金属层上的一个金属化通孔、第二介质基板上的一个金属化通孔以及第二金属层上的一个金属化通孔的中心轴线位于同一直线；所述的第二石墨烯层的厚度与所述的第一石墨烯层的厚度相等，当所述的第二石墨烯层接地时，如果给所述的第一石墨烯层加载0v电压，此时所述的第一石墨烯层和所述的第二石墨烯层的面阻值均1000Ω/sq，如果给所述的第一石墨烯层加载5v电压，此时所述的第一石墨烯层和所述的第二石墨烯层的面阻值均为200Ω/sq，如果给所述的第一石墨烯层加载大于0v且小于5v电压，此时所述的第一石墨烯层和所述的第二石墨烯层的面阻值均大于200Ω/sq且小于1000Ω/sq，且两者相等，通过改变所述的第一石墨烯层和第二石墨烯层之间加载的偏置电压，能够改变所述的第一石墨烯层和所述的第二石墨烯层的面阻值，使所述的电磁吸波结构在不同角度下与电磁波阻抗相匹配，实现不同入射角下电磁波的完美吸收。
所述的正方型金属块的边长为1.64mm；位于第1行的n个第一金属单元的前端面位于同一平面且该平面到所述的第一介质基板的前端面所在平面的距离为0.4mm，位于第1列的m个第一金属单元的左端面所在平面到所述的第一介质基板的左端面所在平面的距离为0.4mm，位于第m行的n个第一金属单元的后端面所在平面到所述的第一介质基板的后端面所在平面的距离为0.4mm，位于第n列的m个第一金属单元的右端面所在平面到所述的第一介质基板的右端面所在平面的距离为0.4mm，位于第j行第k列的第一金属单元的右端面与位于第j行第k+1列的第一金属单元的左端面之间的距离为0.8mm，j＝1，2，…，m；k＝1，2，…，n-1；位于第d行第p列的第一金属单元的后端面与位于第d+1行第p列的第一金属单元的前端面之间的距离为0.8mm，d＝1，2，…，m-1；p＝1，2，…，n；每个所述的金属化通孔的半径为0.3mm。
所述的第一介质基板采用介电常数为2.5，损耗正切角度为0.005的PVC材料，所述的隔膜层采用浸有离子液的隔膜纸实现，所用离子液为1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐，所述的第二介质基板采用介电常数4.4的FR4材料。
与现有技术相比，本发明的优点在于通过采用第一石墨烯层、隔膜层、第二石墨烯层形成一个石墨烯三明治结构，石墨烯三明治结构在微波频段有着良好的可调面阻值性质，通过在第一石墨烯层和第二石墨烯层之间放置充分浸泡离子液的隔膜纸，并分别以第一石墨烯层和第二石墨烯层为正负电极直接添加偏置电压，以通过改变离子掺杂率来改变其阻值特性，使第一石墨烯层和第二石墨烯层能够更稳定地实现面阻值从1000Ω/sq-200Ω/sq的调整，实现结构的输入阻抗与自由空间波阻抗相匹配，能够在当前生产工艺中实现，并应用于实际生产，从而实现石墨烯三明治结构的阻抗与不同入射角的自由空间波阻抗相匹配，其中，第一金属层以及第一金属层、第二介质基板和第二金属层上的多个金属通孔对电磁波入射角度是不敏感的，第二金属层在接地的同时还可以屏蔽入射的电磁波透过去，第一介质基板、第一金属层、第二介质基板、第二金属层以及第一金属层、第二介质基板和第二金属层上的多个金属通孔形成了一个HIS，该HIS整体对电磁波入射角度不敏感，所以对于TM极化波，该HIS能够对所有不同入射角度的电磁波具有相同的共振频率，对于TM极化波，本发明的电磁吸波结构在设计范围的所有角度下可以通过调节第一石墨烯层和第二石墨烯层的面阻值实现石墨烯三明治结构阻抗与自由空间波阻抗相匹配，没有电磁波能量被反射回来，在同一谐振频率点处实现电磁波在所有入射角度下的完美吸收，由此本发明能够在设定范围内对电磁波入射角进行调控，在调控范围内所有角度下都能够实现电磁波的完美吸收，通过仿真实验对本发明进行验证，证明本发明在入射角为0°到70°范围内都能实现电磁波的完美吸收。
附图说明
图1为本发明的一种完美吸收入射角可调的电磁吸波结构的侧视图；
图2为本发明的一种完美吸收入射角可调的第一金属层的俯视图；
图3为本发明的一种完美吸收入射角可调的电磁吸波结构的等效电路图；
图4为本发明的一种完美吸收入射角可调的电磁吸波结构的第一金属层、第二介质基板、第二金属层在不同入射角度下，反射相位随不同入射角的变化关系；
图5为本发明的一种完美吸收入射角可调的电磁吸波结构的在不同入射角度下，反射系数随不同入射角的变化关系；
图6为本发明的一种完美吸收入射角可调的电磁吸波结构的在不同角度下，吸收率随不同入射角的变化关系。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例：如图1和图2所示，一种完美吸收入射角可调的电磁吸波结构，包括按照从上到下顺序层叠的第一石墨烯层1、隔膜层2、第二石墨烯层3、第一介质基板4、第一金属层5、第二介质基板6和第二金属层7，第一石墨烯层1、隔膜层2、第二石墨烯层3、第一介质基板4、第一金属层5、第二介质基板6和第二金属层7之间相互连接；第一石墨烯层1、隔膜层2、第二石墨烯层3、第一介质基板4、第二介质基板6和第二金属层7均为矩形结构，且第一石墨烯层1、隔膜层2、第二石墨烯层3、第一介质基板4、第二介质基板6和第二金属层7在同一平面的俯视图完全重合；第一金属层5包括完全相同的m*n个第一金属单元8，m*n个第一金属单元8按照m行n列排布，m为大于等于1的整数，n为大于等于1的整数，每个第一金属单元8均为正方形金属块，正方型金属块的边长为1.64mm；每个第一金属单元8的前端面所在平面均平行于第一介质基板4的前端面所在平面，位于同一行的n个第一金属单元8沿左右方向的对称线位于同一直线，位于同一列的m个第一金属单元8沿前后方向的对称线位于同一直线；位于第1行的n个第一金属单元8的前端面位于同一平面且该平面到第一介质基板4的前端面所在平面的距离为0.4mm，位于第1列的m个第一金属单元8的左端面所在平面到第一介质基板4的左端面所在平面的距离为0.4mm，位于第m行的n个第一金属单元8的后端面所在平面到第一介质基板4的后端面所在平面的距离为0.4mm，位于第n列的m个第一金属单元8的右端面所在平面到第一介质基板4的右端面所在平面的距离为0.4mm，位于第j行第k列的第一金属单元8的右端面与位于第j行第k+1列的第一金属单元8的左端面之间的距离为0.8mm，j＝1，2，…，m；k＝1，2，…，n-1；位于第d行第p列的第一金属单元8的后端面与位于第d+1行第p列的第一金属单元8的前端面之间的距离为0.8mm，d＝1，2，…，m-1；p＝1，2，…，n；第一金属层5、第二介质基板6和第二金属层7上分别设置有m*n个上下贯通的金属化通孔，第一金属层5上的m*n个金属化通孔一一对应位于m*n个第一金属单元8的中心处，每个金属化通孔的半径为0.3mm，第二介质基板6上的m*n个金属化通孔按照m行n列排布，第二金属层7上的m*n个金属化通孔按照m行n列排布，第一金属层5上的m*n个金属化通孔、第二介质基板6上的m*n个金属化通孔以及第二金属层7上的m*n个金属化通孔从上到下一一对应，对应的第一金属层5上的一个金属化通孔、第二介质基板6上的一个金属化通孔以及第二金属层7上的一个金属化通孔的中心轴线位于同一直线；第二石墨烯层3的厚度与第一石墨烯层1的厚度相等，当第二石墨烯层3接地时，如果给第一石墨烯层1加载0v电压，此时第一石墨烯层1和第二石墨烯层3的面阻值均1000Ω/sq，如果给第一石墨烯层1加载5v电压，此时第一石墨烯层1和第二石墨烯层3的面阻值均为200Ω/sq，如果给第一石墨烯层1加载大于0v且小于5v电压，此时第一石墨烯层1和第二石墨烯层3的面阻值均大于200Ω/sq且小于1000Ω/sq，且两者相等，当TM极化波在不同入射角情况下入射时，通过改变第一石墨烯层1和第二石墨烯层3之间加载的偏置电压，从而改变第一石墨烯层1和第二石墨烯层3的面阻值，使其在不同角度下与自由空间波阻抗相匹配，实现不同入射角下的完美吸收。
本实施例中，第一介质基板4采用介电常数为2.5，损耗正切角度为0.005的PVC材料，隔膜层2采用浸有离子液的隔膜纸实现，所用离子液为1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐，第二介质基板6采用介电常数4.4的FR4材料，第一金属层5和第二金属层7均采用铜实现，金属化通孔也采用金属铜实现。
本实例中，TM极化下自由空间波阻抗等效为
Figure BDA0002889778110000061
第一石墨烯层1和第二石墨烯层3并联等效为电阻Rg，第一介质基板4等效为传输线Zp，第一金属层5中第一金属单元8之间相互耦合等效为电容Zg，第二介质基板6等效为传输线Zf，第二金属层7等效为电磁屏蔽层，由此本发明的完美吸收入射角可调的电磁吸波结构的等效电路图如图3所示。图3中，
Figure BDA0002889778110000062
表示TM极化下自由空间波阻抗，Zh表示第一金属层5、第二介质基板6和第二金属层7形成的总阻抗，Zin表示第一石墨烯层1、隔膜层2、第二石墨烯层3、第一介质基板4、第一金属层5、第二介质基板6和第二金属层7的总输入阻抗，由Rg，ZP，Zh并联形成Zin。分析图3可知：当电磁波通过第一石墨烯层1和第二石墨烯层3时会消耗掉部分电磁波，剩下的电磁波透过第一介质基板4、照射到第一金属层5后反射回来并被第一石墨烯层1和第二石墨烯层3继续消耗能量，直至能量完全消耗完。
对本发明的完美吸收入射角可调的电磁吸波结构的第一介质基板4、第一金属层5、第二介质基板6、第二金属层7以及第一金属层5、第二介质基板6和第二金属层7上的多个金属通孔进行仿真，在0-70°之间的不同入射角度下，本发明的第一介质基板4、第一金属层5、第二介质基板6、第二金属层7以及第一金属层5、第二介质基板6和第二金属层7上的多个金属通孔的反射相位随不同入射角的变化关系曲线如图4所示；对本发明的完美吸收入射角可调的电磁吸波结构进行仿真，其中，在0°-70°之间的不同入射角度下，本发明的完美吸收入射角可调的电磁吸波结构的反射系数随不同入射角的变化关系曲线如图5所示，在0°-70°之间的不同角度下，本发明的一种完美吸收入射角可调的电磁吸波结构的吸收率随不同入射角的变化关系曲线如图6所示。分析图4可知，对于TM极化，当电磁波入射角为0°、30°、60°、70°时，第一介质基板4、第一金属层5、第二介质基板6、第二金属层7以及第一金属层5、第二介质基板6和第二金属层7上的多个金属通孔的反射相位在14.3GHz处反射相位接近为0，说明谐振频率对入射角不敏感，基本不随入射角变化。分析图5可知：对于TM极化，当电磁波入射角为0°、30°、60°、70°时，反射系数在工作频率14.3GHz均小于-30dB，电磁波基本被完全吸收。分析图6可知：对于TM极化，当电磁波入射角度分别为0°、30°、60°、70°，在14.3GHz处吸收率接近为1，电磁波被基本完全吸收。由此可知：本发明的完美吸收入射角可调的电磁吸波结构在入射角为0°-70°范围内都能实现电磁波的完美吸收，完美吸收入射角具有较大的可调范围。

Claims (2)

1.一种完美吸收入射角可调的电磁吸波结构，其特征在于包括按照从上到下顺序层叠的第一石墨烯层、隔膜层、第二石墨烯层、第一介质基板、第一金属层、第二介质基板和第二金属层，所述的第一石墨烯层、所述的隔膜层、所述的第二石墨烯层、所述的第一介质基板、所述的第一金属层、所述的第二介质基板和所述的第二金属层之间相互连接；所述的第一石墨烯层、所述的隔膜层、所述的第二石墨烯层、所述的第一介质基板、所述的第二介质基板和所述的第二金属层均为矩形结构，且所述的第一石墨烯层、所述的隔膜层、所述的第二石墨烯层、所述的第一介质基板、所述的第二介质基板和所述的第二金属层在同一平面的俯视图完全重合；
所述的第一金属层包括完全相同的m*n个第一金属单元，m*n个所述的金属单元按照m行n列排布，m为大于等于1的整数，n为大于等于1的整数，每个所述的第一金属单元均为正方形金属块，每个所述的第一金属单元的前端面所在平面均平行于所述的第一介质基板的前端面所在平面，位于同一行的n个第一金属单元沿左右方向的对称线位于同一直线，位于同一列的m个第一金属单元沿前后方向的对称线位于同一直线；位于第1行的n个第一金属单元的前端面位于同一平面且该平面位于所述的第一介质基板的前端面所在平面的后侧，位于第1列的m个第一金属单元的左端面所在平面位于所述的第一介质基板的左端面所在平面的右侧，位于第m行的n个第一金属单元的后端面所在平面位于所述的第一介质基板的后端面所在平面的前侧，位于第n列的m个第一金属单元的右端面所在平面位于所述的第一介质基板的右端面所在平面的左侧，任意相邻两个第一金属单元之间的间距相等；
所述的第一金属层、所述的第二介质基板和所述的第二金属层上分别设置有m*n个上下贯通的金属化通孔，所述的第一金属层上的m*n个金属化通孔一一对应位于m*n个第一金属单元的中心处，所述的第二介质基板上的m*n个金属化通孔按照m行n列排布，所述的第二金属层上的m*n个金属化通孔按照m行n列排布，所述的第一金属层上的m*n个金属化通孔、所述的第二介质基板上的m*n个金属化通孔以及所述的第二金属层上的m*n个金属化通孔从上到下一一对应，对应的第一金属层上的一个金属化通孔、第二介质基板上的一个金属化通孔以及第二金属层上的一个金属化通孔的中心轴线位于同一直线；
所述的第二石墨烯层的厚度与所述的第一石墨烯层的厚度相等，当所述的第二石墨烯层接地时，如果给所述的第一石墨烯层加载0v电压，此时所述的第一石墨烯层和所述的第二石墨烯层的面阻值均1000Ω/sq，如果给所述的第一石墨烯层加载5v电压，此时所述的第一石墨烯层和所述的第二石墨烯层的面阻值均为200Ω/sq，如果给所述的第一石墨烯层加载大于0v且小于5v电压，此时所述的第一石墨烯层和所述的第二石墨烯层的面阻值均大于200Ω/sq且小于1000Ω/sq，且两者相等，通过改变所述的第一石墨烯层和第二石墨烯层之间加载的偏置电压，能够改变所述的第一石墨烯层和所述的第二石墨烯层的面阻值，使所述的电磁吸波结构在不同角度下与电磁波阻抗相匹配，实现不同入射角下电磁波的完美吸收；
所述的第一介质基板采用介电常数为2.5，损耗正切角度为0.005的PVC材料，所述的隔膜层采用浸有离子液的隔膜纸实现，所用离子液为1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐，所述的第二介质基板采用介电常数4.4的FR4材料。
2.根据权利要求1所述的一种完美吸收入射角可调的电磁吸波结构，其特征在于所述的正方形 金属块的边长为1.64mm；位于第1行的n个第一金属单元的前端面位于同一平面且该平面到所述的第一介质基板的前端面所在平面的距离为0.4mm，位于第1列的m个第一金属单元的左端面所在平面到所述的第一介质基板的左端面所在平面的距离为0.4mm，位于第m行的n个第一金属单元的后端面所在平面到所述的第一介质基板的后端面所在平面的距离为0.4mm，位于第n列的m个第一金属单元的右端面所在平面到所述的第一介质基板的右端面所在平面的距离为0.4mm，位于第j行第k列的第一金属单元的右端面与位于第j行第k+1列的第一金属单元的左端面之间的距离为0.8mm，j=1，2，…，m；k=1，2，…，n-1；位于第d行第p列的第一金属单元的后端面与位于第d+1行第p列的第一金属单元的前端面之间的距离为0.8mm， d=1，2，…，m-1；p=1，2，…，n；每个所述的金属化通孔的半径为0.3mm。
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