CN108666765A - 一种基于石墨烯的超宽带微波动态可调吸波结构 - Google Patents

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刘峰
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    • H01Q17/00—Devices for absorbing waves radiated from an antenna; Combinations of such devices with active antenna elements or systems
    • H01Q17/007—Devices for absorbing waves radiated from an antenna; Combinations of such devices with active antenna elements or systems with means for controlling the absorption

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Abstract

本发明名为“一种基于石墨烯的超宽带微波动态可调吸波结构”，涉及微波动态可调吸波结构领域，提供一种基于石墨烯的宽带雷达波动态可调吸波结构，动态可调吸波结构由下到上依次由底部金属层、下介质层、结构化方阻层、上介质层以及电控层组成。其中电控层由石墨烯层、浸润离子液的绝缘介质层和高方阻薄膜层构成，可通过外加偏压调节控制其中石墨烯层的方阻，从而实现X、Ku、Ka全波段反射系数动态调控。本发明优点在于可以通过外加偏压实现X、Ku、Ka全波段反射系数的动态调控，在不改变结构的条件下即可以实现不同反射状态的切换，并且在某一状态下其对应的反射系数在X、Ku、Ka全波段都为‑10dB以下。

Description

一种基于石墨烯的超宽带微波动态可调吸波结构
技术领域
本发明涉及微波动态可调吸波结构领域，特别涉及一种基于石墨烯的超宽带微波动态可调吸波结构。
背景技术
随着现代电子对抗的快速发展和反隐身技术的不断提高，对隐身材料以及隐身技术的研究提出了越来越高的要求。针对各种吸波材料以及吸波结构已经进行了深入而广泛的研究。动态可调的吸波结构作为新的研究方向应用而生，其具有更好的环境适应性，更强的隐身特性，极大提高了防护能力。目前，常用的外加条件包括：机械调节、温度控制、光照以及外加偏压等一系列手段控制材料的共振特性从而实现结构吸波特性的动态调控。与其他调控手段相比而言，外加偏压调控不需要引入额外的复杂控制***是一种简单，有效的动态控制方式。石墨烯作为单原子层二维材料可以通过外加偏压控制其载流子浓度从而控制其电导率，已广泛应用在动态可调的开关、调制器以及隐身等结构的设计当中。目前所提出的动态可调吸波器件具有极化相关，吸收带宽窄，动态可调范围小等一系列缺点。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提出了一种基于石墨烯的超宽带微波动态可调吸波结构，通过引入由石墨烯层，浸润离子液的绝缘介质层，以及高方阻薄膜层构成的电控层，仅通过改变电控层的外加偏压即可实现X、Ku、Ka全波段微波吸波结构反射系数的动态调控，在某一状态下其对应的反射系数在X、Ku、Ka全波段都为-10dB以下。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种基于石墨烯的超宽带微波动态可调吸波结构，包括至下而上依次排列的底部金属层、下介质层、结构化方阻层，上介质层以及由石墨烯层，浸润离子液的绝缘介质层和高方阻薄膜层构成的电控层。
其中，所述底部金属层的厚度h，其取值范围为h＞10δ0，δ0为金属的趋肤深度。
上介质层和下介质层的总厚度为d，其取值范围为λ0/10＜d＜λ0/3，λ0为中心波长。
所述的结构化方阻层为周期性方孔阵列结构，其周期为P，对应取值范围为P＜λ0/3，其边长为S，对应取值范围为λ0/10≤S≤λ0/3，λ0为中心波长，其方阻为Rs，对应取值范围为 50≤Rs≤500。所述的电控层中的石墨烯层为周期性方孔阵列结构，其周期为P，对应取值范围为P＜λ0/3，其边长为W，对应取值范围为λ0/10≤W≤λ0/3，λ0为中心波长。所述的绝缘介质为商用的Celgard PE隔膜，浸润液体为离子液，优选为DEMETFSI。所述的高方阻薄膜层方阻大于石墨烯方阻，优选为1500Ω。
本发明具有的有益效果在于：通过引入由石墨烯层，浸润离子液的绝缘介质层，以及高方阻薄膜层构成的电控层，仅通过改变电控层的外加偏压即可实现微波吸波结构反射系数在 X、Ku、Ka全波段的宽带动态调控，通过外加偏压实现微波吸波结构不同吸收状态的切换，并且在某一状态下其对应的反射系数在X、Ku、Ka全波段都为-10dB以下；并且该动态可调吸波器件具有极化不相关，动态可调范围宽等一系列优势。
附图说明
图1为本发明的基于石墨烯的超宽带微波动态可调吸波结构的示意图。
图2为本发明实施例1中结构化方阻层3对应的周期图案尺寸示意图。
图3为本发明实施例1中石墨烯层7对应的周期图案尺寸示意图。
图4为本发明提出的基于石墨烯的超宽带微波动态可调吸波结构仿真反射系数示意图。
图5为本发明制备的基于石墨烯的超宽带微波动态可调吸波结构测试反射系数示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下面实施例，应包括权利要求书中的全部内容。而且本领域技术人员从以下的一个实施例即可实现权利要求中的全部内容。
具体实现过程如下：
如图1所示，该基于石墨烯的超宽带微波动态可调吸波结构，包括自下而上依次排列的底部金属层、下介质层、结构化方阻层，上介质层以及由石墨烯层，浸润离子液的绝缘介质层和高方阻薄膜层构成的电控层。其中，所述底部金属层的厚度h，其取值范围为h＞10δ0，δ0为金属的趋肤深度。介质层的厚度为d，其取值范围为λ0/10＜d＜λ0/3，λ0为中心波长。
该器件中的电控层是利用外加偏压对石墨烯方阻进行控制从而实现微波吸波特性的动态调控，下面将简述其设计原理。
石墨烯的复数电导率可以通过熟知的kubo方程获得：
σ＝σintra+σinter
其中第一项为σintra带内跃迁贡献，第二项σinter为带间跃迁贡献，在微波频段石墨烯的电导率由带内跃迁决定，而带内跃迁的电导率取决于石墨烯的费米能级。石墨烯的费米能级与载流子浓度的关系为：
其中为约化普朗克常量，υf为费米速率，n为载流子浓度。在外加偏压的作用下使得绝缘介质层被极化在两侧产生极化电荷，为了保持电中性会在电极引入额外的载流子从而改变石墨烯的费米能级，最终导致石墨烯的电导率随外加偏压的变化而变化。
在此基础上再结合介质层以及底部金属层通过仿真优化设计即可实现微波动态可调吸波结构设计，下面结合具体实施例进行阐述。
实施例1
本发明设计了X，Ka，Ku频段的微波动态可调吸波结构。如图1所示，该基于石墨烯的超宽带微波动态可调吸波结构包括：底部金属层1、下介质层2(介电常数为ε，厚度为d/2)、结构化方阻层3、上介质层4(介电常数为ε，厚度为d/2)、高方阻薄膜层5、浸润离子液绝缘介质层6以及石墨烯层7。所述的结构化方阻层方孔阵周期为P＝4.5mm，边长为S＝2.2mm(如图2所示)，其对应方阻为200Ω；石墨烯层为方孔周期边W＝1.8mm(如图3所示)；所述的上、下介质层均采用PMI泡沫，绝缘介质为商用的Celgard PE隔膜，浸润液体为离子液为DEMETFSI；所述的高方阻薄膜方阻为1500Ω。
如图4所示，四条曲线分别对应的不同方阻条件下对应的反射系数，可以看出随着方阻的改变，该结构的反射系数发生了显著的变化，当方阻为125Ω时，在X、Ku及Ka波段的反射系数在-6.3dB附近，当方阻增加到600Ω时，其对应波段的反射系数都达到-10dB以下，在整个宽带频段内都实现了吸波特性的动态调控。接下来针对所设计的基于石墨烯的超宽带微波动态可调吸波结构进行了实验验证，其对应的测试结果如图5所示，随着外加偏压改变实现了基于石墨烯的超宽带微波吸波结构的动态调控。
因此，上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种基于石墨烯的超宽带微波动态可调吸波结构，其特征在于：由下到上依次包括底部金属层、下介质层、结构化方阻层、上介质层和电控层；其中，电控层是由石墨烯层、浸润离子液的绝缘介质层、以及高方阻薄膜层组成。
2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的超宽带微波动态可调吸波结构，其特征在于：所述的底部金属层的厚度为h，其取值范围为h＞10δ0，δ0为金属的趋肤深度。
3.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的超宽带微波动态可调吸波结构，其特征在于：所述上介质层和下介质层的总厚度为d，其取值范围为λ0/10＜d＜λ0/3，λ0为中心波长。
4.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的超宽带微波动态可调吸波结构，其特征在于：所述的结构化方阻层为周期性方孔阵列结构，其周期为P，对应取值范围为P＜λ0/3，其方孔边长为S，对应取值范围为λ0/10≤S≤λ0/3，λ0为中心波长，其方阻为Rs，对应取值范围为50≤Rs≤1000。
5.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的超宽带微波动态可调吸波结构，其特征在于：所述的电控层中的石墨烯层为周期性方孔阵列结构，其周期为P，对应取值范围为P＜λ0/3，其方孔边长为W，对应取值范围为λ0/10≤W≤λ0/3，λ0为中心波长。所述的绝缘介质为商用的Celgard PE隔膜，浸润液体为离子液体，优选为DEMETFSI。所述的高方阻薄膜层方阻大于石墨烯层方阻，优选为1500Ω。
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