CN114628915B - 一种石墨烯太赫兹宽带吸波器的设计方法、装置及结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石墨烯太赫兹宽带吸波器的设计方法、装置及结构，该方法以表面金属层/石墨烯层/介质层/底层金属层四层结构为基本结构单元，根据宽带吸波器的约束条件确定基本结构单元数量，设计石墨烯太赫兹宽带吸波器的多分离层结构，并通过石墨烯费米能级调控方法调控吸波器的吸收带宽，指导石墨烯费米能级高效调控，增加吸波器调控自由度，便于编码智能调控，也可以实现精准窗口调控，在得到初始化谐振电路参数后，通过智能优化算法对初始化参数进行优化，以得到符合宽带吸收器的吸收频率范围和吸收效率要求的设计参数，缩短宽带吸波器的参数确定过程，提高参数确定效率。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹技术领域，具体涉及一种石墨烯太赫兹宽带吸波器的设计方法、装置及结构。
背景技术
太赫兹波(Terahertz，THz)频率范围0.1THz～10THz，波长位于30μm～3mm范围内，是介于远红外线与毫米波之间的电磁波，较短的波长使其可以实现极高的分辨率和更精确的定位，较少的应用使其具有更强的保密性、抗干扰性和隐身探测能力，较高的频率使其具有高分辨成像以及大容量实时无线传输等优势，因此，太赫兹波具有巨大的军事领域应用前景。
随着太赫兹雷达在目标探测、目标追踪方面的应用，太赫兹雷达对抗技术也应运而生，但目前太赫兹雷达对抗技术的研究主要集中在2THz～10THz太赫兹波频率范围内，缺乏对0.1THz～2THz太赫兹波频率范围的研究，研究波长跨度较小，且当前宽带吸波器的设计过程大多是根据经验先设定结构参数(包括表面金属层的结构周期、形状结构尺度和介质层厚度等)，然后再仿真，若宽带吸收器对太赫兹波的吸收效率没有达到要求，然后再调试、再仿真，通过一遍一遍的试错得到较为符合要求的结构参数，该确定结构参数的过程较为漫长，耗费资源且效率低。
发明内容
本发明要解决的技术问题为目前对太赫兹雷达对抗技术的研究缺乏对0.1THz～2THz太赫兹波频率范围的研究，且过程漫长、耗费资源、效率低，因此，本发明提供一种石墨烯太赫兹宽带吸波器的设计方法、装置及结构，由需求指导设计，通过获取宽带吸收器的吸收频率范围和吸收效率要求，采用智能优化算法计算得到宽带吸收器的结构参数，缩短参数确定过程，提高参数确定效率。该方法为通用普适性宽带吸收设计方法，不仅适用于太赫兹波段，还可适用于微波、光学等波段以及宽波段超宽带设计，如太赫兹/光学，微波/太赫兹或微波/太赫兹/光学超宽带等。
本发明通过下述技术方案实现：
一种石墨烯太赫兹宽带吸波器的设计方法，包括：
获取宽带吸波器的约束条件，所述约束条件包括太赫兹波的吸收频率范围和吸收效率；
以表面金属层/石墨烯层/介质层/底层金属层四层结构为基本结构单元，根据所述宽带吸波器的吸收频率范围和吸收效率，确定基本结构单元数量，并计算各基本结构单元对应的初始化谐振电路参数；
将所述初始化谐振电路参数输入到智能优化算法中进行多分离层结构参数优化处理，得到优化后的谐振电路参数，并基于优化后的谐振电路参数通过多层膜系反射计算方法，计算对应的吸收频率范围和吸收效率；
当计算得到的吸收频率范围满足约束条件中的吸收频率范围，则对计算得到吸收频率范围内的所有频率点的吸收效率进行叠加计算，若叠加计算得到的所有频点的吸收效率均满足约束条件中的吸收效率，则调用等效谐振电路参数反演程序对优化后的谐振电路参数进行反演，得到宽带吸波器的设计参数。
进一步地，所述根据所述宽带吸波器的吸收频率范围和吸收效率，确定基本结构单元数量，并计算各基本结构单元对应的初始化谐振电路参数，包括：
按照预设吸收频率数量，在太赫兹波的吸收频率范围内选择对应数量的吸收频率作为特征吸收频率；
基于选择的特征吸收频率确定每个特征吸收频率的特征波长，并基于所述特征波长设置表面金属层的结构参数；
获取输入的介质层厚度和化学势，并结合所述表面金属层的结构参数，计算表面金属层/石墨烯层/介质层/底层金属层对应的等效谐振电路的电路参数，并将计算得到的电路参数作为初始化谐振电路参数。
进一步地，所述表面金属层的结构参数包括表面金属层的面积、表面金属层的结构尺度和表面金属层的厚度；其中，所述表面金属层的面积根据表面金属层的形状选择对应的面积计算公式计算得到。
进一步地，所述石墨烯太赫兹宽带吸波器的设计方法还包括：
基于所述太赫兹波的吸收频率范围确定对应的波长范围，并根据确定的波长范围计算得到介质层厚度。具体地，在窄带吸收时，介质层厚度通常按照特征波长的预设比例(如十分之一)选取；宽带吸收时，介质层厚度通常按照波长范围中的最大波长和最小波长之差的预设比例(如十分之一)选取。
进一步地，所述获取输入的介质层厚度和化学势，并结合所述表面金属层的结构参数，计算表面金属层/石墨烯层/介质层/底层金属层对应的等效谐振电路的电路参数，包括：
在表面等离激元作用下，表面金属层、介质层和底层金属层形成金属等效谐振电路，石墨烯层、介质层和底层金属层形成石墨烯等效谐振电路，金属等效谐振电路和石墨烯等效谐振电路并联形成表面金属层/石墨烯层/介质层/底层金属层对应的等效谐振电路；
基于所述介质层厚度和所述表面金属层的结构参数，通过等效谐振电路参数计算方法计算金属等效谐振电路的等效电路参数；
基于所述介质层厚度、所述表面金属层的结构参数和所述化学势，通过等效谐振电路参数计算方法计算石墨烯等效谐振电路的等效电路参数；
对金属等效谐振电路的等效电路参数和石墨烯等效谐振电路的等效电路参数进行并联处理，得到表面金属层/石墨烯层/介质层/底层金属层对应的等效谐振电路的电路参数。
进一步地，所述基于所述介质层厚度和所述表面金属层的结构参数，通过等效谐振电路参数计算方法计算金属等效谐振电路的等效电路参数，包括：
Cg＝ε0h/(T-w)2
其中，Cg为相邻表面金属层结构之间的间隙电容，ε0为自由空间介电常数即真空电导率，h为表面金属层的厚度，T为基本结构单元的周长，w为表面金属层的外径边长；
Cm＝c1εdε0S/t
其中，Cm为表面金属层与底层金属层形成的平行平板电容，c1为调节因子，ε0为自由空间介电常数，εd为介质层介电常数，S为表面金属层的面积，t为介质层厚度；
Le＝-S/(ω2δε0)·(ε'/(ε'2+ε”2))
其中，Le为表面金属层中漂移电子所造成的动态电感，S为表面金属层的面积，ω为角频率，δ为表面金属层的金属趋肤深度，ε0为自由空间介电常数即真空电导率，ε'和ε”分别为表面金属层的金属材质电介质常数的实部和虚部；
Lm＝0.5μ0S·t
其中，Lm为表面金属层与底层金属层之间的互感，μ0为真空磁导率，S为表面金属层的面积，t为介质层厚度；
表面金属层的金属色散模型其中，ωp为金属等离子频率，ω为角频率，i为虚数，K为电子碰撞频率；
金属等效谐振电路的等效阻抗：
其中，Zm为金属等效谐振电路的等效阻抗，i为虚数，ω为角频率，Lm为表面金属层与底层金属层之间的互感，Le为表面金属层中漂移电子所造成的动态电感，Cg为相邻表面金属层结构之间的间隙电容，Cm为表面金属层与底层金属层形成的平行平板电容。
进一步地，所述基于所述介质层厚度、所述表面金属层的结构参数和所述化学势，通过等效谐振电路参数计算方法计算石墨烯等效谐振电路的等效电路参数，包括：
Lm_g＝0.5μ0Sg·t
其中，Lm_g为石墨烯层与底层金属层之间的互感，μ0为真空磁导率，Sg为石墨烯层的面积，t为介质层厚度；
Le_g＝-Sg/(ω2δgε0)·(εg'/(εg'2+εg”2))
其中，Le_g为石墨烯层中漂移电子所造成的动态电感，Sg为石墨烯层的面积，ω为角频率，δg为石墨烯层的金属趋肤深度，ε0为自由空间介电常数即真空电导率，εg'和εg”分别为石墨烯层的石墨烯电介质常数的实部和虚部；
Cg＝ε0h/(T-w)2
其中，Cg为相邻表面金属层结构之间的间隙电容，ε0为自由空间介电常数即真空电导率，h为表面金属层的厚度，T为基本结构单元的周长，w为表面金属层的外径边长；
Cm_g＝c1εdε0Sg/t
其中，Cm_g为石墨烯层与底层金属层形成的平行平板电容，c1为调节因子，ε0为自由空间介电常数，εd为介质层介电常数，Sg为石墨烯层的面积，t为介质层厚度；
其中，Zm_g为石墨烯等效谐振电路的等效阻抗，i为虚数，ω为角频率，Lm_g为石墨烯层与底层金属层之间的互感，Le_g为石墨烯层中漂移电子所造成的动态电感，Cg为相邻石墨烯层结构之间的间隙电容，Cm_g为石墨烯层与底层金属层形成的平行平板电容。
其中，石墨烯层电介质常数εg计算公式为：
其中，σ2D为石墨烯二维表面电导率，i为虚数，e为电子电荷，kBT为热能，ω为角频率，Γ为带电粒子散射率，μc为石墨烯的化学势，为普朗克常量，kB为玻尔兹曼常数，μc由n0决定，n0为载流子密度；其中，
其中，n0为载流子密度，为普朗克常量，v为费米速度，ε为费米能级，
为费米-狄拉克分布，μc为石墨烯的化学势，kBT为热能，载流子密度n0通过石墨烯上的偏置电压控制；其中，
n0＝εdε0·V/(et)
其中，n0为载流子密度，εd为介质材料的介电常数，ε0为自由空间介电常数即真空电导率，e为电子电荷，t为介质层的厚度，V为偏置电压；
σ3D＝σ2D/δg
其中，σ3D为石墨烯三维表面电导率，δg为石墨烯厚度，σ2D为石墨烯二维表面电导率；
εg＝1+iσ2D/(ε0ωδg)，εg'＝real(εg)，εg”＝imag(εg)
其中，εg为石墨烯层电介质常数，i为虚数，σ2D为石墨烯二维表面电导率，ε0为自由空间介电常数即真空电导率，ω为角频率，δg为石墨烯厚度，εg'为石墨烯层的石墨烯电介质常数的实部，εg”为石墨烯层的石墨烯电介质常数的虚部，real()为计算复数实部的函数，imag()为计算复数虚部的函数。
进一步地，所述一种石墨烯太赫兹宽带吸波器的设计方法还包括：
若计算得到的吸收频率范围内存在频点处的吸收效率不满足约束条件中的吸收效率，则在太赫兹波的吸收频率范围内调整特征吸收频率重新确定初始化谐振电路参数，并将调整后的初始化谐振电路参数作为新的初始化谐振电路参数，重复执行将初始化参数输入到智能优化算法中进行多分离层结构参数优化处理的步骤。
一种石墨烯太赫兹宽带吸波器的设计装置，包括：
数据获取模块，用于获取宽带吸波器的约束条件，所述约束条件包括太赫兹波的吸收频率范围和吸收效率；
初始化谐振电路参数计算模块，用于以表面金属层/石墨烯层/介质层/底层金属层四层结构为基本结构单元，根据所述宽带吸波器的吸收频率范围和吸收效率，确定基本结构单元数量，并计算各基本结构单元对应的初始化谐振电路参数；
参数优化处理模块，用于将所述初始化谐振电路参数输入到智能优化算法中进行多分离层结构参数优化处理，得到优化后的谐振电路参数，并基于优化后的谐振电路参数通过多层膜系反射计算方法，计算对应的吸收频率范围和吸收效率；
宽带吸波器参数获取模块，用于当计算得到的吸收频率范围满足约束条件中的吸收频率范围，则对计算得到吸收频率范围内的所有频率点的吸收效率进行叠加计算，若叠加计算得到的所有频点的吸收效率均满足约束条件中的吸收效率，则调用等效谐振电路参数反演程序对优化后的谐振电路参数进行反演，得到宽带吸波器的设计参数。
一种石墨烯太赫兹宽带吸波器的设计结构，根据上述一种石墨烯太赫兹宽带吸波器的设计方法计算得到的宽带吸波器的设计参数，以表面金属/石墨烯/介质/底层金属四层结构为基本结构单元对石墨烯太赫兹宽带吸波器中的多分离层结构进行设计，得到石墨烯太赫兹宽带吸波器。
本发明提供了一种石墨烯太赫兹宽带吸波器的设计方法、装置及结构，通过以表面金属层/石墨烯层/介质层/底层金属层四层结构为基本结构单元，并根据宽带吸波器的约束条件确定基本结构单元数量，设计石墨烯太赫兹宽带吸波器的多分离层结构，并通过石墨烯费米能级调控方法高效调控吸波器的吸收带宽，提高吸收效率，指导石墨烯费米能级高效调控，增加吸波器调控自由度，方便编码智能调控，以实现精准窗口调控，在根据基本结构单元数量以及基本结构单元结构形成的等效谐振电路得到对应的初始化谐振电路参数后，将初始化谐振电路参数输入到智能优化算法中进行多分离层结构参数优化处理，并判断优化后的谐振电路参数对应的吸收频率范围和吸收效率是否满足约束条件中的吸收频率范围和吸收效率，当二者均满足约束条件中的吸收频率范围和吸收效率时，则调用等效谐振电路参数反演程序对优化后的谐振电路参数进行反演，以得到符合宽带吸收器的吸收频率范围和吸收效率要求的设计参数，缩短宽带吸波器的参数确定过程，提高参数确定效率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明一种石墨烯太赫兹宽带吸波器的设计方法的流程图。
图2为本发明一具体实施例中表面金属层/石墨烯层/介质层/底层金属层对应的等效谐振电路示意图。
图3为本发明一具体实施例中的表面金属层为方形环结构的示意图。
图4a为本发明一具体实施例中未加入石墨烯层，介质层厚度为200μm时的表面金属层的吸收效率图。
图4b为本发明一具体实施例中未加入石墨烯层，介质层厚度为25μm时的表面金属层的吸收效率图。
图4c为本发明一具体实施例中未加入石墨烯层，介质层厚度为2μm时的表面金属层的吸收效率图。
图5a为本发明一具体实施例中加入石墨烯层，介质层厚度为200μm时的不同尺度基本结构单元的吸收效率图。
图5b为本发明一具体实施例中加入石墨烯层，介质层厚度为25μm时的不同尺度基本结构单元的吸收效率图。
图6为本发明一具体实施例中单个尺寸的多分离层结构参数优化处理结果对应的吸收频率范围和吸收效率图。
图7为本发明一具体实施例中未加入石墨烯层时两个尺寸的多分离层结构参数优化处理结果对应的吸收频率范围和吸收效率图。
图8为本发明一具体实施例中加入石墨烯层后两个尺寸的多分离层结构参数优化处理结果对应的吸收频率范围和吸收效率图。
图9为本发明一种石墨烯太赫兹宽带吸波器的设计装置的示意图。
图10a为本发明一具体实施例中设计的石墨烯太赫兹宽带吸波器的俯视图。
图10b为本发明一具体实施例中设计的石墨烯太赫兹宽带吸波器的侧视图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1所示，本发明提供一种石墨烯太赫兹宽带吸波器的设计方法，包括：
S10：获取宽带吸波器的约束条件，约束条件包括太赫兹波的吸收频率范围和吸收效率。
S20：以表面金属层/石墨烯层/介质层/底层金属层四层结构为基本结构单元，根据宽带吸波器的吸收频率范围和吸收效率，确定基本结构单元数量，并计算各基本结构单元对应的初始化谐振电路参数。
具体地，当宽带吸收波长差异过大时，多尺度的表面金属结构在相同介质层厚度下无法满足连续高吸收效率要求，因此，采用多分离层设计，其目的在于拓展每个特征吸收峰的高吸收带宽，以确保多吸收峰叠加吸收效应满足宽带高吸收率要求。基于此，在确定宽带吸波器的吸收频率范围和吸收效率后，根据宽带吸波器的吸收频率范围以及实际加工复杂度确定基本结构单元数量，以确定多分离层的层数。
在确定基本结构单元数量(即多分离层的层数)后，由于底层金属层实际为反射层，因此，在实际设计过程中，除最下面一层是以表面金属层/石墨烯层/介质层/底层金属层四层结构(M/G/I/M)为基本结构单元，即多分离层的底层外，其他层都是以表面金属层/石墨烯层/介质层(M/G/I)为基本结构单元。
本实施例中的初始化谐振电路参数为一维矩阵数据，该一维矩阵数据包括等效电阻、等效电感、等效电容和介质层厚度。以基本结构单元数量为4举例说明：初始化谐振电路参数中的等效电阻为等效电阻为[Z1,Z2,Z3,Z4]、等效电感为[L1,L2,L3,L4]、等效电容为[C1,C2,C3,C4]和4个介质层厚度。
S30：将初始化谐振电路参数输入到智能优化算法中进行多分离层结构参数优化处理，得到优化后的谐振电路参数，并基于优化后的谐振电路参数通过多层膜系反射计算方法，计算对应的吸收频率范围和吸收效率。
具体地，将由多个基本结构单元形成的结构称为多分离层结构，多分离层结构中的每个分离层上的表面金属层之间存在强烈耦合，如何确定多分离层结构中各分离层的厚度及各分离层中的表面金属层的结构参数，是满足宽带高吸收率要求成为多分离层设计的关键，设计自由度的大幅增加使人为调整各层参数变得不太可行，因此，在得到初始化谐振电路参数后，本实施例引入智能优化算法在吸收频率范围和吸收效率的约束下对多分离层结构参数进行优化设计，以确定可满足吸收频率范围和吸收效率要求的多分离层结构参数。本实施例中的智能优化算法包括但不限于遗传算法、进化算法、免疫算法、蚁群算法和粒子群算法。
S40：当计算得到的吸收频率范围满足约束条件中的吸收频率范围，则对计算得到吸收频率范围内的所有频率点的吸收效率进行叠加计算，若叠加计算得到的所有频点的吸收效率均满足约束条件中的吸收效率，则调用等效谐振电路参数反演程序对优化后的谐振电路参数进行反演，得到宽带吸波器的设计参数。
进一步地，若计算得到的吸收频率范围内存在频点处的吸收效率不满足约束条件中的吸收效率，则在太赫兹波的吸收频率范围内调整特征吸收频率重新确定初始化谐振电路参数，并将调整后的初始化谐振电路参数作为新的初始化谐振电路参数，重复执行将初始化参数输入到智能优化算法中进行多分离层结构参数优化处理的步骤。
其中，等效谐振电路参数反演程序指根据等效谐振电路参数计算方法反推的过程，即将等效谐振电路参数计算方法中的输出结果作为输入，计算得到宽带吸波器的结构设计参数(包括表面金属层的结构尺度、介质层厚度、多分离层的层结构和表面金属层/石墨烯层/底层金属层的厚度)。本实施例中的的等效谐振电路参数计算方法详见步骤S23。
进一步地，如图1所示，步骤S20中，根据宽带吸波器的吸收频率范围和吸收效率，确定基本结构单元数量，并计算各基本结构单元对应的初始化谐振电路参数，具体包括如下步骤：
S21：按照预设吸收频率数量，在太赫兹波的吸收频率范围内选择对应数量的吸收频率作为特征吸收频率。
具体地，在确定宽带吸波器的吸收频率范围和吸收效率后，依据吸收频率范围选择设置特征吸收频率，特征吸收频率的数量依据吸收频率范围有所增减，一般建议5-6个较为合适，特征频率选择的目的可以利用不同尺度的表面金属层实现多峰吸收拓展吸收带宽在宽带吸波器的吸收频率范围。
S22：基于选择的特征吸收频率确定每个特征吸收频率的特征波长，并基于特征波长设置表面金属层的结构参数。
具体地，本实施例中的表面金属层的结构参数包括表面金属层的面积、表面金属层的结构尺度和表面金属层的厚度。其中，表面金属层的结构尺度指表面金属结构层的尺寸大小，该尺寸大小依据表面金属结构层的形状的不同对应的内容不同。
本实施例中表面金属层的形状包括但不限于矩形、正方形、圆形和环形；当表面金属层的形状为矩形时，其对应的表面金属层的结构尺度为矩形的长和宽，当表面金属层的形状为方形时，其对应的表面金属层的结构尺度为方形的边长，当表面金属层的形状为圆形时，其对应的表面金属层的结构尺度为直径，当表面金属层的形状为环形时，其对应的表面金属层的结构尺度为外环直径和内环直径；表面金属层的结构尺度为亚波长量级，在特征波长的三分之一到四分之一之间；表面金属层的厚度小于金属趋肤厚度，一般为金属趋肤厚度的三分之一。
其中，表面金属层的面积根据表面金属层的形状选择对应的面积计算公式计算得到。当表面金属层的形状为矩形时，则通过矩形面积计算公式计算得到表面金属层的面积；当表面金属层的形状为正方形时，则通过正方形面积计算公式计算得到表面金属层的面积；当表面金属层的形状为圆形时，则通过圆形面积计算公式计算得到表面金属层的面积；当表面金属层的形状为矩环形时，则通过矩环形面积计算公式计算得到表面金属层的面积
矩形面积计算公式：S＝a·b，a为矩形长，b为矩形宽，
正方形面积计算公式：S＝a·a，a为方形边长，
圆形面积计算公式：S＝πa2，a为圆形半径，
矩形环面积计算公式：S＝a1·b1-a0·b0，a1，a0分别为外侧和内测矩形的长，b1，b0分别为外侧和内侧矩形的宽。
S23：获取输入的介质层厚度和化学势，并结合表面金属层的结构参数，计算表面金属层/石墨烯层/介质层/底层金属层对应的等效谐振电路的电路参数，并将计算得到的电路参数作为初始化谐振电路参数。
本实施例中介质层厚度在窄带吸收时，通常按照特征波长的预设比例(如十分之一)选取；在宽带吸收时，通常按照约束条件中的波长范围内的最大波长和最小波长之差的预设比例(如十分之一)。
具体地，根据太赫兹波的吸收频率范围确定对应的波长范围，并根据确定的波长范围计算得到介质层厚度。
本实施例中的表面金属层/石墨烯层/介质层/底层金属层是在传统的表面金属层/介质层/底层金属层基础上添加了一层石墨烯层。由于单层石墨烯在不同的化学势和温度下表现出特异的光电导特性，在外界激励下改变石墨烯化学势促使石墨烯层费米能级变化进而影响石墨烯介电常数，达到石墨烯费米能级调控的效果，因此，在添加石墨烯层后，石墨烯层与底层金属层之间表现出强等离激元特性，形成石墨烯等效谐振电路。石墨烯层厚度一般为纳米量级，在1nm～10nm之间。
多分离层结构中的每一分离层插入石墨烯层后，将影响该层等效谐振电路参数，每层分离层的石墨烯费米能级调控均可独立进行，可以增加石墨烯费米能级调控的自由度，有利于调控的灵活性。通过石墨烯费米能级调控方法，可以高效调控吸波器的吸收带宽，提高吸收效率，指导石墨烯费米能级高效调控，多分离层结构石墨烯多重调控增加吸波器调控自由度，便于编码智能调控，可以实现精准窗口调控。
值得注意的是，不同尺度的多分离层结构中的石墨烯费米能级调控效率不同，因此，需在可控的调制范围内等效电路参数相当时调控效应才明显。
基于上述原理，本实施例中的等效电路参数包括金属等效谐振电路的等效电路参数和石墨烯等效谐振电路的等效电路参数。其中金属等效谐振电路指表面金属和底层金属反射层形成的等效谐振电路；石墨烯等效谐振电路指石墨烯层和底层金属反射层形成的等效谐振电路。
具体地，在表面等离激元作用下，表面金属层、介质层和底层金属层形成金属等效谐振电路，石墨烯层、介质层和底层金属层形成石墨烯等效谐振电路，金属等效谐振电路和石墨烯等效谐振电路并联形成表面金属层/石墨烯层/介质层/底层金属层对应的等效谐振电路，具体电路图如图2所示。
其中，基于介质层厚度和表面金属层的结构参数，通过等效谐振电路参数计算方法计算金属等效谐振电路的等效电路参数。具体计算过程为：
Cg＝ε0h/(T-w)2
其中，Cg为相邻表面金属层结构之间的间隙电容，ε0为自由空间介电常数即真空电导率，h为表面金属层的厚度，T为基本结构单元的周长，w为表面金属层的外径边长；
Cm＝c1εdε0S/t
其中，Cm为表面金属层与底层金属层形成的平行平板电容，c1为调节因子，ε0为自由空间介电常数，εd为介质层介电常数，S为表面金属层的面积，t为介质层厚度；
Le＝-S/(ω2δε0)·(ε'/(ε'2+ε”2))
其中，Le为表面金属层中漂移电子所造成的动态电感，S为表面金属层的面积，ω为角频率，δ为表面金属层的金属趋肤深度，ε0为自由空间介电常数即真空电导率，ε'和ε”分别为表面金属层的金属材质电介质常数的实部和虚部；
Lm＝0.5μ0S·t
其中，Lm为表面金属层与底层金属层之间的互感，μ0为真空磁导率，S为表面金属层的面积，t为介质层厚度；
表面金属层的金属色散模型其中，ωp为金属等离子频率，ω为角频率，i为虚数，K为电子碰撞频率；
金属等效谐振电路的等效阻抗：
其中，Zm为金属等效谐振电路的等效阻抗，i为虚数，ω为角频率，Lm为表面金属层与底层金属层之间的互感，Le为表面金属层中漂移电子所造成的动态电感，Cg为相邻表面金属层结构之间的间隙电容，Cm为表面金属层与底层金属层形成的平行平板电容。
基于介质层厚度、表面金属层的结构参数和化学势，通过等效谐振电路参数计算方法计算石墨烯等效谐振电路的等效电路参数。具体计算过程为：
Lm_g＝0.5μ0Sg·t
其中，Lm_g为石墨烯层与底层金属层之间的互感，μ0为真空磁导率，Sg为石墨烯层的面积，t为介质层厚度；
Le_g＝-Sg/(ω2δgε0)·(εg'/(εg'2+εg”2))
其中，Le_g为石墨烯层中漂移电子所造成的动态电感，Sg为石墨烯层的面积，ω为角频率，δg为石墨烯层的金属趋肤深度，ε0为自由空间介电常数即真空电导率，εg'和εg”分别为石墨烯层的石墨烯电介质常数的实部和虚部；
Cg＝ε0h/(T-w)2
其中，Cg为相邻表面金属层结构之间的间隙电容，ε0为自由空间介电常数即真空电导率，h为表面金属层的厚度，T为基本结构单元的周长，w为表面金属层的外径边长；
Cm_g＝c1εdε0Sg/t
其中，Cm_g为石墨烯层与底层金属层形成的平行平板电容，c1为调节因子，ε0为自由空间介电常数，εd为介质层介电常数，Sg为石墨烯层的面积，t为介质层厚度；
其中，Zm_g为石墨烯等效谐振电路的等效阻抗，i为虚数，ω为角频率，Lm_g为石墨烯层与底层金属层之间的互感，Le_g为石墨烯层中漂移电子所造成的动态电感，Cg为相邻石墨烯层结构之间的间隙电容，Cm_g为石墨烯层与底层金属层形成的平行平板电容。
其中，石墨烯层电介质常数εg计算公式为：
其中，σ2D为石墨烯二维表面电导率，i为虚数，e为电子电荷，kBT为热能，ω为角频率，Γ为带电粒子散射率，μc为石墨烯的化学势，为普朗克常量，kB为玻尔兹曼常数，μc由n0决定，n0为载流子密度；其中，
其中，n0为载流子密度，为普朗克常量，v为费米速度，ε为费米能级，
为费米-狄拉克分布，μc为石墨烯的化学势，kBT为热能，载流子密度n0通过石墨烯上的偏置电压控制；其中，
n0＝εdε0·V/(et)
其中，n0为载流子密度，εd为介质材料的介电常数，ε0为自由空间介电常数即真空电导率，e为电子电荷，t为介质层的厚度，V为偏置电压；
σ3D＝σ2D/δg
其中，σ3D为石墨烯三维表面电导率，δg为石墨烯厚度，σ2D为石墨烯二维表面电导率；
εg＝1+iσ2D/(ε0ωδg)，εg'＝real(εg)，εg”＝imag(εg)
其中，εg为石墨烯层电介质常数，i为虚数，σ2D为石墨烯二维表面电导率，ε0为自由空间介电常数即真空电导率，ω为角频率，δg为石墨烯厚度，εg'为石墨烯层的石墨烯电介质常数的实部，εg”为石墨烯层的石墨烯电介质常数的虚部，real()为计算复数实部的函数，imag()为计算复数虚部的函数。
在计算得到金属等效谐振电路的等效电路参数和石墨烯等效谐振电路的等效电路参数后，对金属等效谐振电路的等效电路参数和石墨烯等效谐振电路的等效电路参数进行并联处理，得到表面金属层/石墨烯层/介质层/底层金属层对应的等效谐振电路的电路参数。具体计算过程为：
为便于理解，本实施例以宽带吸收范围0.1-2.0THz，吸收效率80％为设计约束条件，以石墨烯层作为调控材料构成金属层/石墨烯层/介质层/底层金属层(M/G/I/M)四层结构为基本结构单元，设计太赫兹宽带吸收结构，达到多吸收峰叠加拓展吸收带宽的目的。
步骤一，首先从结构加工工艺复杂度的角度考虑，通常希望以最少的层数和最简单的结构形式最低的加工难度实现宽带高效吸收，将基本结构单元的数量暂设置为4；然后初步选择0.1THz、0.22THz、0.67THz、1.12THz和1.57THz五个特征吸收频率，根据特征频率对应的特征波长初步设计表层金属层的结构参数，其中，表面金属层的结构尺度设置为特征波长的四分之一左右，厚度为15nm。每个表层金属层与底层金属层在表面等离激元原理下形成等效谐振电路，将入射电磁波消耗在等效谐振电路中，从而实现特定频率的高效吸波。
步骤二，选择的特征吸收频率为5个，对应的表面金属层的结构尺度也有5种，表层金属层的排布方式不同，各基本结构单元的排布方式也将不同。不同结构尺度的表面金属层的排布方式，通常可分为水平排布、垂直排布和嵌套排布，环形结构更适合嵌套排布，其它形状建议水平排布，垂直排布则更适合多层设计。这里选择以方环形嵌套排布为主，初步设计的基本结构单元的周期尺寸800μm，嵌套环形结构尺度640/480，320/240,160/120,80/60,40/20μm，环形结构之间的空气间隙尺寸160/160/80/40/20μm，如图3所示。其中，图3中的阴影部分为表面金属方形环状结构，空白部分为空气间隙。
步骤三，确定初始化谐振电路参数。基本结构单元中每个金属环形结构均会在表面等离激元原理的作用下与底层金属层形成等效谐振电路，对特征吸收频率的太赫兹波进行吸收，利用等效谐振电路参数计算方法，得到各个金属环形结构所对应的等效电阻、等效电感和等效电容。
等效电阻Ze＝[167,303,399,955,2726,8475](欧姆)；
等效电感Lm＝[2.25e-17,5.63e-18,1.41e-18,3.52e-19,8.80e-20,2.20e-20](亨)；
等效电容Cg＝[5.19e-12,5.19e-12,2.07e-11,8.30e-11,3.32e-10,3.32e-10](法)。
不同尺度的表面金属层在相同介质层厚度的吸收带宽不同，介质层厚度d＝200μm吸收效率如图4a所示，介质层厚度d＝25μm吸收效率如图4b所示,介质层厚度d＝2μm的吸收效率如图4c所示。其中，图4a、图4b、图4c的横坐标为太赫兹波的吸收频率，纵坐标为不同吸收频率对应的吸收效率。曲线尖峰对应的横坐标即为特征频率，吸收效率接近1(即完美吸收)。通过图4可知，不同的介质层厚度对吸波峰带宽具有明显的影响效果。
石墨烯层在化学势和温度的影响下会表现为导电性和非导电性，当表现为导电性时，石墨烯层与底层金属层也会形成等效谐振电路进一步吸收太赫兹波，在不同的化学势调控下，石墨烯层的光电导率变化将引起等效谐振电路参数的变化，进一步影响基本结构单元整体的等效谐振电路参数，从而达到对吸收带宽的调控。当介质层厚度d＝200μm，石墨烯层厚度delta＝1nm时，石墨烯等效谐振电路参数，Zeg＝[347,21,184,865,2694,8465]，Lmg＝[8.19e-10,2.05e-10,5.12e-11,1.28e-11,3.20e-12,8.00e-13]，加入石墨烯调控层后，在介质层厚度d＝200和d＝25μm时，不同尺度的基本结构单元(金属层/石墨烯层/介质层/底面金属层(M/G/I/M))的吸收效率如图5a、5b所示。
步骤四，在确定初始化谐振电路参数后，将初始化谐振电路参数输入到智能优化算法中进行多分离层结构参数优化处理，得到优化后的谐振电路参数，并基于优化后的谐振电路参数通过多层膜系反射计算方法，计算对应的吸收频率范围和吸收效率。多分离层结构参数优化处理的目的在于明确各分离层(即各基本结构单元)的表面金属层的结构参数，以及各分离层中介质层的厚度和各分离层中表面金属层/石墨烯层/介质层/底层金属层之间的耦合效应以满足宽带高效吸收的需求，确定多分离层结构参数。
由于事先并不确定最少需要几种尺寸的方环形结构可以满足约束条件中吸收频率范围和吸收效率的要求，因此，初步选择了6种尺寸的多分离层结构进行仿真，仿真结果如图6所示。通过仿真结果可知：单个尺寸的多分离层结构无法满足约束条件中的吸收频率范围0.1-2THz和吸收效率要求80％。
因此，选择两个尺寸的多分离层结构进行吸收效率的叠加以达到约束条件中的吸收频率范围和吸收效率要求，如图7所示。其中，图7中的横坐标为太赫兹波的吸收频率，纵坐标为不同吸收频率对应的吸收效率。
石墨烯层的加入将改变表面金属层/介质层/底层金属三层结构的等效谐振电路参数，对表面金属层/石墨烯层/介质层/底层金属层，四层结构的多分离层结构进行优化后的谐振电路参数进行多层膜系反射计算方法的计算，得到吸收频率范围和吸收效率如图8所示。图8与图7相比较，由于金属亚波长结构尺度未发生变换，仍然表现出很强的吸收性能，因此，石墨烯层的加入对总体吸波效果而言大体一致。但石墨烯层的加入，使得低频和高频的吸收展宽略有增加，这是因为石墨烯层的加入相当于增大了等效电感，从而使得吸收效率进一步提升，吸收带宽略有扩展，这里石墨烯层的作用更多的是强调其对吸波结构具备调制效应，而调制效应的灵敏度与吸收频率范围有关，因此，石墨烯层对太赫兹宽带吸波器整体的吸收效率有促进作用，但是表面金属层对太赫兹波吸收的贡献要大于石墨烯层。
优化后的谐振电路参数：
结构1：
等效电阻＝[19,266,771,1042]；
等效电感＝[2.91e-17,1.81e-17,1.12e-17,1.63e-17]；
等效电容＝[5.23e-12,3.81e-12,6.13e-12,1.19e-11]；
各层厚度＝[106.63,140.84,139.67,128.20]；
结构2：
等效电阻＝[109,356,1040,1359]；
等效电感＝[7.97e-21,9.39e-21,2.62e-21,6.95e-21]；
等效电容＝[3.78e-10,1.91e-10,4.01e-10,2.49e-10]；
各层厚度＝[20.89,53.09,46.88,24.99]。
步骤五，当计算得到的吸收频率范围满足约束条件中的吸收频率范围，且该吸收频率范围内所有频率点的吸收效率均满足约束条件中的吸收效率，则调用等效谐振电路参数反演程序对优化后的谐振电路参数进行反演，得到宽带吸波器的设计参数。结构尺度结构尺度各分离层的表面金属层的结构尺度：
结构1:环形外径w＝[449,246,221,170]μm；
结构2:环形外径w＝[24,15,6.4,8.8]μm。
若计算得到的吸收频率范围内存在频点处的吸收效率不满足约束条件中的吸收效率，对上述步骤一中初步选择的特征吸收频率进行调整重新确定初始化谐振电路参数。
本发明提供的一种石墨烯太赫兹宽带吸波器的设计方法，通过以表面金属层/石墨烯层/介质层/底层金属层四层结构为基本结构单元，并根据宽带吸波器的约束条件确定基本结构单元数量，设计石墨烯太赫兹宽带吸波器的多分离层结构，并通过石墨烯费米能级调控方法高效调控吸波器的吸收带宽，提高吸收效率，指导石墨烯费米能级高效调控，增加吸波器调控自由度，方便编码智能调控，以实现精准窗口调控，在根据基本结构单元数量以及基本结构单元结构形成的等效谐振电路得到对应的初始化谐振电路参数后，将初始化谐振电路参数输入到智能优化算法中进行多分离层结构参数优化处理，并判断优化后的谐振电路参数对应的吸收频率范围和吸收效率是否满足约束条件中的吸收频率范围和吸收效率，当二者均满足约束条件中的吸收频率范围和吸收效率时，则调用等效谐振电路参数反演程序对优化后的谐振电路参数进行反演，以得到符合宽带吸收器的吸收频率范围和吸收效率要求的设计参数，缩短宽带吸波器的参数确定过程，提高参数确定效率。
实施例2
如图9所示，本发明提供一种与实施例1中一种石墨烯太赫兹宽带吸波器的设计方法一一对应的一种石墨烯太赫兹宽带吸波器的设计装置，包括数据获取模块10、初始化谐振电路参数计算模块20、参数优化处理模块30和宽带吸波器参数获取模块40。
各功能模块详细说明如下：
数据获取模块10，用于获取宽带吸波器的约束条件，约束条件包括太赫兹波的吸收频率范围和吸收效率。
初始化谐振电路参数计算模块20，用于以表面金属层/石墨烯层/介质层/底层金属层四层结构为基本结构单元，根据宽带吸波器的吸收频率范围和吸收效率，确定基本结构单元数量，并计算各基本结构单元对应的初始化谐振电路参数；
参数优化处理模块30，用于将初始化谐振电路参数输入到智能优化算法中进行多分离层结构参数优化处理，得到优化后的谐振电路参数，并基于优化后的谐振电路参数通过多层膜系反射计算方法，计算对应的吸收频率范围和吸收效率；
宽带吸波器参数获取模块40，用于当计算得到的吸收频率范围满足约束条件中的吸收频率范围，则对计算得到吸收频率范围内的所有频率点的吸收效率进行叠加计算，若叠加计算得到的所有频点的吸收效率满足约束条件中的吸收效率，则调用等效谐振电路参数反演程序对优化后的谐振电路参数进行反演，得到宽带吸波器的设计参数。
关于一种石墨烯太赫兹宽带吸波器的设计装置的具体限定可以参见上文中对于一种石墨烯太赫兹宽带吸波器的设计方法的限定，在此不再赘述。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。
实施例3
本实施例提供一种石墨烯太赫兹宽带吸波器的设计结构，根据实施例1中一种石墨烯太赫兹宽带吸波器的设计方法计算得到的宽带吸波器最终的设计参数，以表面金属/石墨烯/介质/底层金属四层结构为基本结构单元对石墨烯太赫兹宽带吸波器中的多分离层结构进行设计，得到石墨烯太赫兹宽带吸波器。
采用石墨烯太赫兹宽带超材料吸波器，可以覆盖现有多数太赫兹雷达波段，实现对太赫兹雷达的高效对抗与隐身。
具体地，若根据上述实施例一种石墨烯太赫兹宽带吸波器的设计方法计算得到的宽带吸波器最终的设计参数，各层的表面金属层的结构尺度为：
结构1:环形外径＝[449,246,221,170]μm；
结构2:环形外径w＝[24,15,6.4,8.8]μm。
结构1的表面金属层的结构尺度和多分离层中每一分离层厚度均远大于结构2的表金属层的结构尺度和多分离层中每一分离层厚度，因此，组合排布时，将结构2的多分离层整体作为一层，在各层周期排布环形尺寸，置于结构1的多分离层上方，最终设计的石墨烯太赫兹宽带吸波器如图10a、图10b所示。其中，图10a为宽带太赫兹吸波器的俯视图，图10b为宽带太赫兹吸波器的侧视图。多分离层结构参数如表1所示：
表1
以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种石墨烯太赫兹宽带吸波器的设计方法，其特征在于，包括：
获取宽带吸波器的约束条件，所述约束条件包括太赫兹波的吸收频率范围和吸收效率；
以表面金属层/石墨烯层/介质层/底层金属层四层结构为基本结构单元，根据所述宽带吸波器的吸收频率范围和吸收效率，确定基本结构单元数量，并计算各基本结构单元对应的初始化谐振电路参数；
将所述初始化谐振电路参数输入到智能优化算法中进行多分离层结构参数优化处理，得到优化后的谐振电路参数，并基于优化后的谐振电路参数通过多层膜系反射计算方法，计算对应的吸收频率范围和吸收效率；
当计算得到的吸收频率范围满足约束条件中的吸收频率范围，则对计算得到吸收频率范围内的所有频率点的吸收效率进行叠加计算，若叠加计算得到的所有频点的吸收效率均满足约束条件中的吸收效率，则调用等效谐振电路参数反演程序对优化后的谐振电路参数进行反演，得到宽带吸波器的设计参数；
所述根据所述宽带吸波器的吸收频率范围和吸收效率，确定基本结构单元数量，并计算各基本结构单元对应的初始化谐振电路参数，包括：
按照预设吸收频率数量，在太赫兹波的吸收频率范围内选择对应数量的吸收频率作为特征吸收频率；
基于选择的特征吸收频率确定每个特征吸收频率的特征波长，并基于所述特征波长设置表面金属层的结构参数；
获取输入的介质层厚度和化学势，并结合所述表面金属层的结构参数，计算表面金属层/石墨烯层/介质层/底层金属层对应的等效谐振电路的电路参数，并将计算得到的电路参数作为初始化谐振电路参数；
由多个基本结构单元形成的结构称为多分离层结构，且除最下面一层是以表面金属层/石墨烯层/介质层/底层金属层四层结构M/G/I/M为基本结构单元，即多分离层的底层外，其他层都是以表面金属层/石墨烯层/介质层M/G/I为基本结构单元。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯太赫兹宽带吸波器的设计方法，其特征在于，所述表面金属层的结构参数包括表面金属层的面积、表面金属层的结构尺度和表面金属层的厚度；其中，所述表面金属层的面积根据表面金属层的形状选择对应的面积计算公式计算得到。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯太赫兹宽带吸波器的设计方法，其特征在于，所述一种石墨烯太赫兹宽带吸波器的设计方法还包括：
基于所述太赫兹波的吸收频率范围确定对应的波长范围，并根据确定的波长范围计算得到介质层厚度。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯太赫兹宽带吸波器的设计方法，其特征在于，所述获取输入的介质层厚度和化学势，并结合所述表面金属层的结构参数，计算表面金属层/石墨烯层/介质层/底层金属层对应的等效谐振电路的电路参数，包括：
在表面等离激元作用下，表面金属层、介质层和底层金属层形成金属等效谐振电路，石墨烯层、介质层和底层金属层形成石墨烯等效谐振电路，金属等效谐振电路和石墨烯等效谐振电路并联形成表面金属层/石墨烯层/介质层/底层金属层对应的等效谐振电路；
基于所述介质层厚度和所述表面金属层的结构参数，通过等效谐振电路参数计算方法计算金属等效谐振电路的等效电路参数；
基于所述介质层厚度、所述表面金属层的结构参数和所述化学势，通过等效谐振电路参数计算方法计算石墨烯等效谐振电路的等效电路参数；
对金属等效谐振电路的等效电路参数和石墨烯等效谐振电路的等效电路参数进行并联处理，得到表面金属层/石墨烯层/介质层/底层金属层对应的等效谐振电路的电路参数。
5.根据权利要求4所述的一种石墨烯太赫兹宽带吸波器的设计方法，其特征在于，所述基于所述介质层厚度和所述表面金属层的结构参数，通过等效谐振电路参数计算方法计算金属等效谐振电路的等效电路参数，包括：
Cg＝ε0h/(T-w)2
其中，Cg为相邻表面金属层结构之间的间隙电容，ε0为自由空间介电常数即真空电导率，h为表面金属层的厚度，T为基本结构单元的周长，w为表面金属层的外径边长；
Cm＝c1εdε0S/t
其中，Cm为表面金属层与底层金属层形成的平行平板电容，c1为调节因子，ε0为自由空间介电常数，εd为介质层介电常数，S为表面金属层的面积，t为介质层厚度；
Le＝-S/(ω2δε0)·(ε'/(ε'2+ε”2))
其中，Le为表面金属层中漂移电子所造成的动态电感，S为表面金属层的面积，ω为角频率，δ为表面金属层的金属趋肤深度，ε0为自由空间介电常数即真空电导率，ε'和ε”分别为表面金属层的金属材质电介质常数的实部和虚部；
Lm＝0.5μ0S·t
其中，Lm为表面金属层与底层金属层之间的互感，μ0为真空磁导率，S为表面金属层的面积，t为介质层厚度；
表面金属层的金属色散模型其中，ωp为金属等离子频率，ω为角频率，i为虚数，K为电子碰撞频率；
金属等效谐振电路的等效阻抗：
其中，Zm为金属等效谐振电路的等效阻抗，i为虚数，ω为角频率，Lm为表面金属层与底层金属层之间的互感，Le为表面金属层中漂移电子所造成的动态电感，Cg为相邻表面金属层结构之间的间隙电容，Cm为表面金属层与底层金属层形成的平行平板电容。
6.根据权利要求4所述的一种石墨烯太赫兹宽带吸波器的设计方法，其特征在于，所述基于所述介质层厚度、所述表面金属层的结构参数和所述化学势，通过等效谐振电路参数计算方法计算石墨烯等效谐振电路的等效电路参数，包括：
Lm_g＝0.5μ0Sg·t
其中，Lm_g为石墨烯层与底层金属层之间的互感，μ0为真空磁导率，Sg为石墨烯层的面积，t为介质层厚度；
Le_g＝-Sg/(ω2δgε0)·(εg'/(εg'2+εg”2))
其中，Le_g为石墨烯层中漂移电子所造成的动态电感，Sg为石墨烯层的面积，ω为角频率，δg为石墨烯层的金属趋肤深度，ε0为自由空间介电常数即真空电导率，εg'和εg”分别为石墨烯层的石墨烯电介质常数的实部和虚部；
Cg＝ε0h/(T-w)2
其中，Cg为相邻表面金属层结构之间的间隙电容，ε0为自由空间介电常数即真空电导率，h为表面金属层的厚度，T为基本结构单元的周长，w为表面金属层的外径边长；
Cm_g＝c1εdε0Sg/t
其中，Cm_g为石墨烯层与底层金属层形成的平行平板电容，c1为调节因子，ε0为自由空间介电常数，εd为介质层介电常数，Sg为石墨烯层的面积，t为介质层厚度；
其中，Zm_g为石墨烯等效谐振电路的等效阻抗，i为虚数，ω为角频率，Lm_g为石墨烯层与底层金属层之间的互感，Le_g为石墨烯层中漂移电子所造成的动态电感，Cg为相邻石墨烯层结构之间的间隙电容，Cm_g为石墨烯层与底层金属层形成的平行平板电容；
其中，石墨烯层电介质常数εg计算公式为：
其中，σ2D为石墨烯二维表面电导率，i为虚数，e为电子电荷，kBT为热能，ω为角频率，Γ为带电粒子散射率，μc为石墨烯的化学势，为普朗克常量，kB为玻尔兹曼常数，μc由n0决定，n0为载流子密度；其中，
其中，n0为载流子密度，为普朗克常量，v为费米速度，ε为费米能级，为费米-狄拉克分布，μc为石墨烯的化学势，kBT为热能，载流子密度n0通过石墨烯上的偏置电压控制；其中，
n0＝εdε0·V/(et)
其中，n0为载流子密度，εd为介质材料的介电常数，ε0为自由空间介电常数即真空电导率，e为电子电荷，t为介质层的厚度，V为偏置电压；
σ3D＝σ2D/δg
其中，σ3D为石墨烯三维表面电导率，δg为石墨烯厚度，σ2D为石墨烯二维表面电导率；
εg＝1+iσ2D/(ε0ωδg)，εg'＝real(εg)，εg”＝imag(εg)
其中，εg为石墨烯层电介质常数，i为虚数，σ2D为石墨烯二维表面电导率，ε0为自由空间介电常数即真空电导率，ω为角频率，δg为石墨烯厚度，εg'为石墨烯层的石墨烯电介质常数的实部，εg”为石墨烯层的石墨烯电介质常数的虚部，real()为计算复数实部的函数，imag()为计算复数虚部的函数。
7.根据权利要求1所述的一种石墨烯太赫兹宽带吸波器的设计方法，其特征在于，所述一种石墨烯太赫兹宽带吸波器的设计方法还包括：
若计算得到的吸收频率范围内存在频点处的吸收效率不满足约束条件中的吸收效率，则在太赫兹波的吸收频率范围内调整特征吸收频率重新确定初始化谐振电路参数，并将调整后的初始化谐振电路参数作为新的初始化谐振电路参数，重复执行将初始化参数输入到智能优化算法中进行多分离层结构参数优化处理的步骤。
8.一种石墨烯太赫兹宽带吸波器的设计装置，其特征在于，包括：
数据获取模块，用于获取宽带吸波器的约束条件，所述约束条件包括太赫兹波的吸收频率范围和吸收效率；
初始化谐振电路参数计算模块，用于以表面金属层/石墨烯层/介质层/底层金属层四层结构为基本结构单元，根据所述宽带吸波器的吸收频率范围和吸收效率，确定基本结构单元数量，并计算各基本结构单元对应的初始化谐振电路参数；
参数优化处理模块，用于将所述初始化谐振电路参数输入到智能优化算法中进行多分离层结构参数优化处理，得到优化后的谐振电路参数，并基于优化后的谐振电路参数通过多层膜系反射计算方法，计算对应的吸收频率范围和吸收效率；
宽带吸波器参数获取模块，用于当计算得到的吸收频率范围满足约束条件中的吸收频率范围，则对计算得到吸收频率范围内的所有频率点的吸收效率进行叠加计算，若叠加计算得到的所有频点的吸收效率均满足约束条件中的吸收效率，则调用等效谐振电路参数反演程序对优化后的谐振电路参数进行反演，得到宽带吸波器的设计参数；
所述根据所述宽带吸波器的吸收频率范围和吸收效率，确定基本结构单元数量，并计算各基本结构单元对应的初始化谐振电路参数，包括：
按照预设吸收频率数量，在太赫兹波的吸收频率范围内选择对应数量的吸收频率作为特征吸收频率；
基于选择的特征吸收频率确定每个特征吸收频率的特征波长，并基于所述特征波长设置表面金属层的结构参数；
获取输入的介质层厚度和化学势，并结合所述表面金属层的结构参数，计算表面金属层/石墨烯层/介质层/底层金属层对应的等效谐振电路的电路参数，并将计算得到的电路参数作为初始化谐振电路参数；
由多个基本结构单元形成的结构称为多分离层结构，且除最下面一层是以表面金属层/石墨烯层/介质层/底层金属层四层结构M/G/I/M为基本结构单元，即多分离层的底层外，其他层都是以表面金属层/石墨烯层/介质层M/G/I为基本结构单元。
9.一种石墨烯太赫兹宽带吸波器的设计结构，其特征在于，根据权利要求1-7任一项所述的一种石墨烯太赫兹宽带吸波器的设计方法计算得到的宽带吸波器的设计参数，以表面金属/石墨烯/介质/底层金属四层结构为基本结构单元对石墨烯太赫兹宽带吸波器中的多分离层结构进行设计，得到石墨烯太赫兹宽带吸波器。
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