基于石墨烯薄膜的吸波率可调型宽带电磁吸波器

摘要

本发明提出了一种基于石墨烯薄膜的吸波率可调型宽带电磁吸波器，用于解决现有基于石墨烯薄膜的吸波率可调型宽带电磁吸波器存在的成本高和实用性差的技术问题。包括上下层叠的导电层和介质层；导电层包括金属贴片和贴附在其下表面的石墨烯薄膜，金属贴片上蚀刻有多个不同形式的十字形缝隙，形成M×N个贴片单元，每个贴片单元由m×n个贴片组成；介质层包括自上而下层叠的第一介质板、第二介质板和第三介质板，其中第三介质板的下表面印制有底板；石墨烯薄膜与第二介质板之间连接有直流电源，用于调整石墨烯薄膜的表面电导率。本发明的成本低，实用性好，可用于抛物面天线、飞行器表面等要求具有间歇性吸波特性的场合。

说明书

技术领域

本发明属于电磁隐身技术领域，涉及一种可调宽带电磁吸波器，具体涉及一种基于石墨烯薄膜的吸波率可调型宽带电磁吸波器，可用于吸波率可调领域的电磁抗干扰及电磁兼容。

背景技术

石墨烯是一种二维平面碳原子薄膜材料，具有单原子层厚度、机械硬度高、载流子迁移率高、柔韧性和透光性好、电导率可调节等特点，可以被用来设计各种新型纳米器件或者透明导电材料，如透明电极、光学调制器、极化器、等离子器件、光子探测器、超棱镜和吸波器件等。

电磁吸波器或称吸波器，特指能够将入射的电磁波吸收并把其中的电磁能量转化为热能或者其它形式的能量的电磁器件，在很多领域的应用非常广泛。按照吸波器的形状，一般可分为三种：尖劈形、涂层形、平板形。尖劈形的吸波器通常用于微波暗室，主要由聚氨酯泡沫型、无纺布难燃型、硅酸盐板金属膜组装型等。随着频率的降低，吸波体长度也大大增加，普通尖劈形吸波体的长度与波长大致相等，不但在工艺上难以实现，而且微波暗室有效可用空间也大为减少。涂层形的吸波器通常用于飞行器表面，为展宽频带，一般都采用复合材料的涂层。对于平板形的吸波器来说，国外最早研制成的吸波器就是单层平板形，制成的吸波体都是直接贴在金属屏蔽层上，其厚度薄、重量轻，但工作频率范围较窄。后来又出现了双层或多层平板形，传统的平板吸波器结构是Salisbury屏吸波器，它由表面电阻层、四分之一波长的介质层与金属背板组成，表面电阻层的阻抗与自由空间相匹配，使入射的电磁波完全进入介质层，并利用干涉相消原理，达到吸收特定波长电磁波的目的。但是，由于结构本身的特性，Salisbury屏吸波器的吸波带宽有限。E.F.Knott等人基于Salisbury屏吸波器的原理设计出Jaumann吸波器，该吸波器利用多层电阻片与介质基板相互交替排列构成，产生多个相互耦合的吸收峰值，相比于Salisbury屏吸波器具有更宽的吸波带宽，显而易见，这种结构最大的问题是大大增加了吸波器的厚度和质量。随后，为了降低吸波器的厚度，出现了超材料吸波器，这种吸波器普遍采用三层结构：其顶层为周期性金属图案构成的频率选择表面(FSS)，第二层是介质层，第三层是金属底板。通过调整结构的形状、尺寸、厚度、金属材料和中间介质层材料，可以改变吸波带宽及吸波率，但是，这类吸波器吸波带宽相对较窄，为了拓展吸波带宽，研究人员对其结构进行改进，顶部的周期性图案采用导电薄膜，中间为介质层，底板采用金属材料，可以实现宽带吸波的效果。频率选择表面构成的吸波器虽然具有较好的吸波性能，但是吸波特性不能随着电磁环境而改变，随之出现了可调型吸波器，传统的可调型吸波器是在传统FSS单元图形间加载一系列阻抗元件(如电阻、电感、电容)构成的新型FSS。调节阻抗元件阻抗大小可以实现吸波器等效阻抗的改变。上述种种可调吸波器虽然能实现吸波特性的动态调节，但可调频带不够宽。最近又出现了基于石墨烯的宽带电磁吸波器，石墨烯具有表面电导率可调的性质，实现了电磁吸波器在宽带范围内吸波率可调的特性。例如，2016年姜彦南等在《物理学报》(Vol.65,No.5(2016)054101)上发表了名称为“一种基于石墨烯的超宽带吸波器”的文章，公开了一种基于石墨烯的超宽带吸波器，它主要由三层组成：上层为方圆形混合环结构的石墨烯频率选择表面(FSS)层；中间层为相对介电常数ε_r＝1.05、厚度为13mm的介质板；底层为金属铜底板，其电导率σ＝5.8×10⁷S/m，厚度为0.1mm，表面方圆形混合环石墨烯的正下方有相同尺寸的方圆形混合环形状的双层衬底，衬底的第一层是厚度为0.5um的二氧化硅，第二层是厚度为9.5um的晶体硅。对石墨烯层施加不同大小的静态偏置电压，使得在2.1-9.0GHz频率范围内，吸波率可在20％-90％范围内调节。但是该吸波器的石墨烯频率选择表面(FSS)层是由多个方圆形混合环形状的石墨烯频率选择表面(FSS)单元组成，这就需要用等离子体气体蚀刻技术，且在每个方圆形混合环形状的石墨烯频率选择表面(FSS)焊接导线，这样就增加了该吸波器的制造难度，提高了制作的成本，大量导线还会影响该吸波器的吸波性能，也不便于与微波系统集成，实用性较差。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于石墨烯薄膜的吸波率可调型宽带电磁吸波器，用于解决现有石墨烯薄膜的吸波率可调型宽带电磁吸波器存在的成本高和实用性差的技术问题。

本发明的技术思路是：导电层包括金属贴片和贴附在其下表面的石墨烯薄膜，金属贴片上蚀刻有多个不同形式的十字形缝隙，形成M×N个贴片单元，每个贴片单元由m×n个贴片组成，贴片之间存在有电容效应，贴片本身存在有电感效应，石墨烯薄膜可等效为一个电阻，第三介质板与底板之间存在有电感效应，在一个很宽的频带内，吸波器的输入阻抗接近自由空间阻抗，从而实现了宽带吸波；在石墨烯薄膜与第二介质板之间连接直流电源，通过调整直流电源的电压，实现了对石墨烯薄膜的表面电导率的调整，改变了吸波器的输入阻抗，实现了在宽频带上的吸波器可调的特性。

根据上述技术思路，实现本发明目的采用的技术方案为：

一种基于石墨烯薄膜的吸波率可调型宽带电磁吸波器，包括上下层叠的导电层和介质层；其特征在于，所述导电层包括金属贴片和贴附在其下表面的石墨烯薄膜，所述金属贴片上蚀刻有多个不同形式的十字形缝隙，形成M×N个贴片单元，其中M＞2,N＞2，每个贴片单元由m×n个贴片组成，其中m＞2,n＞2；所述介质层包括自上而下层叠的第一介质板、第二介质板和第三介质板，其中第一介质板采用绝缘材料，第二介质板采用半导体材料；所述第三介质板的下表面印制有底板；所述石墨烯薄膜与第二介质板之间连接有直流电源，用于调整石墨烯薄膜的表面电导率。

上述的基于石墨烯薄膜的吸波率可调型宽带电磁吸波器，所述第一介质板采用二氧化硅材料。

上述的基于石墨烯薄膜的吸波率可调型宽带电磁吸波器，所述第二介质板采用高掺杂硅材料。

上述的基于石墨烯薄膜的吸波率可调型宽带电磁吸波器，所述第三介质板，其相对介电常数为ε_r3，且1.05＜ε_r3＜4。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

本发明由于包括上下层叠的导电层和介质层，导电层包括金属贴片和贴附在其下表面的石墨烯薄膜，介质层包括自上而下层叠的第一介质板、第二介质板和第三介质板，第三介质板的下表面印制有底板，导电层和底板实现电磁波多次反射和与自由空间阻抗的匹配，实现了宽带吸波的效果；在石墨烯薄膜与第二介质板之间连接有直流电源，可以对石墨烯薄膜的表面电导率的调整，改变了吸波器的输入阻抗，实现了在宽频带上的吸波器可调的特性。与现有技术相比，避免了采用等离子体气体蚀刻技术制造石墨烯薄膜频率选择表面过程中过大的资源消耗，有效地降低了制造难度与成本，同时，避免了对每一个吸波单元分别焊接导线，减小了大量导线对电磁吸波器性能的影响，更具有实用性。

附图说明

图1为本发明实施例1的整体结构示意图；

图2为本发明实施例1的俯视图；

图3为本发明实施例1的不同电压下的吸波率仿真曲线图,其中图3(a)是在石墨烯薄膜表面电阻率R_s＝600Ohm/sq对应直流电压下的曲线图；图3(b)是在石墨烯薄膜表面电阻率R_s＝10Ohm/sq对应直流电压下的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步描述：

实施例1：

参照图1，一种基于石墨烯薄膜的吸波率可调型宽带电磁吸波器，包括上下层叠的导电层和介质层：所述导电层包括金属贴片1和贴附在其下表面的石墨烯薄膜2，所述金属贴片1上蚀刻有多个不同形式的十字形缝隙，形成M×N个贴片单元11，其中M＞2,N＞2，每个贴片单元11由m×n个贴片111组成，其中m＞2,n＞2；所述介质层包括自上而下层叠的第一介质板3、第二介质板4和第三介质板5，其中第一介质板3采用绝缘材料，第二介质板4采用半导体材料；所述第三介质板5的下表面印制有底板6。石墨烯薄膜2与第二介质板4之间连接有直流电源7，用于调整石墨烯薄膜2的表面电导率。

本实施例中采用3×3个贴片单元11，每个贴片单元11采用2×2个正方形贴片111，可以实现对入射电磁波极化不敏感的特性。

石墨烯薄膜2，可等效为一个电阻，其阻值R可以用以下的公式估算得到：

$R\approx R_S\frac{S}{A},$

其中，S是贴片单元的表面积，且S＝a²,a是贴片单元的周期，A是石墨烯薄膜的表面积。

第一介质板3,采用相对介电常数ε_r1为3.9的二氧化硅材料，其厚度为100um，因为该材料在厚度非常薄的情况下，表面可以很光滑，且二氧化硅材料可以承受很强的直流电压。

第二介质板4采用相对介电常数ε_r2为11.7的高掺杂硅材料，其厚度为100um，在直流电源7导通的情况下，尽可能地减少电磁波通过该材料时的反射。

第三介质板5采用相对介电常数ε_r3为3.78的石英玻璃介质板，其厚度为1mm，该介质板相对介电常数比较稳定，用于实现电磁波的层间耦合。

底板6，采用金属铜材料，由于其具有较高的电导率，电磁波途径其间时大部分能量被反射，没有电磁波能量能够穿透并传输到底板6的另一侧，减小了吸波器对于电磁波能量的透射。

直流电源7，用于调整石墨烯薄膜2的表面电导率。石墨烯薄膜2的表面电导率与直流电源7电压之间的关系可以用下列式子得出：

$Y_s={\sigma }_s=\frac{1}{R_s+{\mathrm{jX}}_s},---\left(3\right)$

其中，μ_c为化学势，t_s为二氧化硅材料的厚度，e为电子电荷量，σ_s为石墨烯薄膜的表面电导率，R_s为石墨烯薄膜表面电阻率的实部，X_s为石墨烯薄膜表面电阻率的虚部，为约化普朗克常量，k_B为玻尔兹曼常数，T为温度，ε_r为介质板二氧化硅材料的相对介电常数，ε₀为真空中的介电常数，Γ为电子散射率，ω为频率，V_g为直流电源电压，v_f为费米能级。

本发明的工作原理是：由于在石墨烯薄膜2与第二介质板4之间连接有直流电源7，可以在石墨烯薄膜2与第二介质板4之间产生一个竖直向下的电场，从上述式(1)、式(2)和式(3)可以看出，通过调整直流电源7的电压，改变电场的强弱，进而调控石墨烯薄膜2的化学势，导致石墨烯薄膜2表面电导率随之发生变化，从而改变了整个吸波器的输入阻抗与自由空间阻抗的匹配程度，最终实现对该吸波器吸波率的动态调节。

为了进一步提高吸波器的吸波特性，在入射电磁波的作用下，正方形贴片111之间存在有电容效应，正方形贴片111本身存在有电感效应；石墨烯薄膜2可等效为一个电阻，第三介质板5与底板6可等效为终端短路传输线：当第三介质板5的厚度小于四分之一工作波长时，其存在有电感效应，因此，在一个很宽的频带内，该吸波器输入阻抗的实部接近自由空间阻抗，虚部接近于0，这表明该吸波器的输入阻抗与自由空间阻抗有较好的匹配，从而实现了宽带吸波。

参照图2，根据上述原理，可以粗略地得出吸波器的结构参数：贴片单元的周期a＝6.5mm，贴片单元中贴片之间的距离b＝0.8mm,正方形贴片的边长为c＝1.2mm。

实施例2

实施例2与实施例1的结构相同，仅对第三介质板5的材质和相对介电常数ε_r3作了调整：第三介质板5选用相对介电常数ε_r3为4的聚甲基丙烯酸脂(PMMA)介质板。

实施例3

实施例3与实施例1的结构相同，仅对第三介质板5的材质和相对介电常数ε_r3作了调整：第三介质板5选用相对介电常数ε_r3为1.05的泡沫介质板。

以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：

1.仿真条件和内容

利用商业仿真软件HFSS_13.0对上述实施例1中不同直流电源电压下吸波器的吸波率曲线进行了仿真计算，结果如图3所示。

2.仿真结果

参照图3，图中的横坐标为频率，单位为GHz，范围为10GHz—50GHz，纵坐标表示归一化吸收的电磁波能量大小，范围为0.1—1。从图3(a)可以看出在23.63GHz—40.85GHz这个频段内对电磁波的吸收大于0.9；从图3(b)可以看出在整个频段内对电磁波的吸收小于0.1。

以上仿真结果说明，本实施例吸波时的绝对工作带宽大于17GHz，吸波带宽内吸波率大于90％，且可通过在石墨烯薄膜2和第二介质板4上连接直流电源，实现吸波幅度的可调控性，与现有技术相比，在保证宽带吸波率可调的同时，降低了制造难度与成本，且实用性更强。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。