CN113097741A - 一种光学透明的吸波幅度可调的宽带电磁吸收结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有光学透明的吸波幅度可调的宽带电磁吸收结构，第一介质基板层、第一石墨烯层、隔膜层、第二石墨烯层和第二介质基板层组成三明治结构，第一石墨烯层和第二石墨烯层在微波频段有着良好的可调面阻值性质及很好的透光性，通过添加偏置电压使第一石墨烯层和第二石墨烯层实现面阻值从2000Ω/sq‑200Ω/sq的调整，调节整个吸波结构的吸波幅度，第一氧化铟锡层和第二氧化铟锡层分别充当介质损耗层，第三氧化铟锡层作为屏蔽反射层，与三明治结构一起满足传输线的传输理论；优点是通过石墨烯面阻值的调节即可实现吸波幅度调控，在具有光学透明性的同时还具有较大范围吸收幅度可调以及相对带宽更宽的吸波特点，吸波效果好。

Description

一种光学透明的吸波幅度可调的宽带电磁吸收结构
技术领域
本发明涉及一种宽带电磁吸收结构，尤其是涉及一种光学透明的吸波幅度可调的宽带电磁吸收结构。
背景技术
电磁隐身技术在军事装备和电子对抗中应用广泛，对于提高飞机舰船等的战场生存能力具有重大作用。电磁隐身技术的目的是降低己方目标的雷达散射特征，以实现己方目标低可探测性，其主要技术途径之一便是使用具有电磁吸收功能的电磁吸收结构吸收入射到装备表面的雷达波能量，减小雷达散射截面积，由此实现雷达频段的隐身。
近年来，随着侦查和电子对抗***的探测手段和频谱的多样化，多频谱多功能的电磁隐身技术已经成为提高电磁隐身性能的迫切需求。典型的功能要求之一是宽带吸收的电磁波吸收。传统的具有隐身功能的电磁吸收结构利用铁氧体、金属微粉和钦酸钡等材料作为吸波体来吸收电磁波，但这些吸波体的吸收往往是一个定点频率的吸收，频率吸收点与电磁吸收结构所产生的等效寄生电容电感有关。
当前已出现的具有宽带吸波频率的电磁吸收结构主要是通过使用不同尺寸大小的周期单元结构，来实现多频点选择性吸收，从而实现宽带吸波，例如Qihui Zhou的Multi-Frequency Broadband Terahertz Metamaterial Absorber Based on Graphene中公开了的一款宽带电磁吸收结构，该宽带电磁吸收结构虽然具有宽带吸波频率，但是其采用了不透明的金属和电子元件，无法应用于具有光学透明需求的区域，比如舷窗等部位的电磁隐身，以及其他需要光学透明性的应用领域，并且其不能实现吸波幅度的调整，吸波情况单一，吸波的效果一般。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有光学透明的吸波幅度可调的宽带电磁吸收结构，该宽带电磁吸收结构仅通过石墨烯面阻值的调节即可实现吸波幅度调控，在具有光学透明性的同时还具有较大范围吸收幅度可调以及相对带宽更宽的吸波特点，吸波效果好。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种具有光学透明的吸波幅度可调的宽带电磁吸收结构，包括第一介质基板层、第一石墨烯层、隔膜层、第二石墨烯层、第二介质基板层、第一氧化铟锡层、第三介质基板层、第二氧化铟锡层、第四介质基板层、第三氧化铟锡层和第五介质基板层，所述的第一介质基板层、所述的第一石墨烯层、所述的隔膜层、所述的第二石墨烯层、所述的第二介质基板层、所述的第一氧化铟锡层、所述的第三介质基板层、所述的第二氧化铟锡层、所述的第四介质基板层、所述的第三氧化铟锡层和所述的第五介质基板层均为矩形，所述的第一介质基板层、所述的第一石墨烯层、所述的隔膜层、所述的第二石墨烯层、所述的第二介质基板层、所述的第一氧化铟锡层、所述的第三介质基板层、所述的第二氧化铟锡层、所述的第四介质基板层、所述的第三氧化铟锡层和所述的第五介质基板层的前端面位于同一平面，所述的第一介质基板层、所述的第一石墨烯层、所述的隔膜层、所述的第二石墨烯层、所述的第二介质基板层、所述的第一氧化铟锡层、所述的第三介质基板层、所述的第二氧化铟锡层、所述的第四介质基板层、所述的第三氧化铟锡层和所述的第五介质基板层的后端面位于同一平面，所述的第一介质基板层、所述的第一石墨烯层、所述的隔膜层、所述的第二石墨烯层、所述的第二介质基板层、所述的第一氧化铟锡层、所述的第三介质基板层、所述的第二氧化铟锡层、所述的第四介质基板层、所述的第三氧化铟锡层和所述的第五介质基板层的左端面位于同一平面，所述的第一介质基板层、所述的第一石墨烯层、所述的隔膜层、所述的第二石墨烯层、所述的第二介质基板层、所述的第一氧化铟锡层、所述的第三介质基板层、所述的第二氧化铟锡层、所述的第四介质基板层、所述的第三氧化铟锡层和所述的第五介质基板层的右端面位于同一平面，所述的第一介质基板层、所述的第一石墨烯层、所述的隔膜层、所述的第二石墨烯层和所述的第二介质基板层按照从上到下顺序依次层叠在一起，且相邻两层之间相互连接，所述的第一氧化铟锡层位于所述的第二介质基板层下方，所述的第一氧化铟锡层与所述的第二介质基板层之间具有一段距离，所述的第一氧化铟锡层与所述的第二介质基板层之间形成第一空隙，所述的第一空隙内充满空气，所述的第三介质基板层位于所述的第一氧化铟锡层下方，所述的第一氧化铟锡层附着在所述的第三介质基板层的上表面，所述的第二氧化铟锡层位于所述的第三介质基板层下方，所述的第二氧化铟锡层与所述的第三介质基板层之间具有一段距离，所述的第二氧化铟锡层与所述的第三介质基板层之间形成第二空隙，所述的第二空隙内充满空气，所述的第四介质基板层位于所述的第二氧化铟锡层下方，所述的第二氧化铟锡层附着在所述的第四介质基板层的上表面，所述的第三氧化铟锡层位于所述的第四介质基板层下方，所述的第三氧化铟锡层与所述的第四介质基板层之间具有一段距离，所述的第三氧化铟锡层与所述的第四介质基板层之间形成第三空隙，所述的第三空隙内充满空气，所述的第五介质基板层位于所述的第三氧化铟锡层下方，所述的第三氧化铟锡层附着在所述的第五介质基板层的上表面，当在所述的第一石墨烯层和所述的第二石墨烯层之间施加偏置电压时，所述的第一石墨烯层和所述的第二石墨烯层的面阻值在200Ω/sq-2000Ω/sq范围内变化，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2000Ω/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2000Ω/sq，且两者相等，而且在所述的第一石墨烯层和所述的第二石墨烯层之间施加的偏置电压越大，所述的第一石墨烯层和所述的第二石墨烯层的面阻值就会越小，在所述的第一石墨烯层和所述的第二石墨烯层之间施加的偏置电压越小，所述的第一石墨烯层和所述的第二石墨烯层的面阻值就会越大，所述的第一氧化铟锡层采用面阻值为500Ω/sq的氧化铟锡实现，所述的第二氧化铟锡层采用面阻值为200Ω/sq的氧化铟锡实现，所述的第三氧化铟锡层采用面阻值为5Ω/sq氧化铟锡实现。所述的第二介质基板层与所述的第一氧化铟锡层之间的距离为1cm，所述的第三介质基板层与所述的第二氧化铟锡层之间的距离为1cm，所述的第四介质基板层与所述的第三氧化铟锡层之间的距离为1cm。
所述的第一介质基板层、所述的第二介质基板层、所述的第三介质基板层、所述的第四介质基板层和所述的第五介质基板层均采用厚度为0.125mm，介电常数为2.8的PET材料，所述的隔膜层采用浸有离子液的隔膜纸实现，所述的隔膜层的厚度为0.01mm，所用离子液为1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐。
与现有技术相比，本发明的优点在于通过第一介质基板层、第一石墨烯层、隔膜层、第二石墨烯层和第二介质基板层组成的三明治结构，当在第一石墨烯层和第二石墨烯层之间施加偏置电压时，第一石墨烯层和第二石墨烯层的面阻值在200Ω/sq-2000Ω/sq范围内变化，当第二石墨烯层接地时，如果给第一石墨烯层加载0v电压，此时第一石墨烯层和第二石墨烯层的面阻值均2000Ω/sq，如果给第一石墨烯层加载5v电压，此时第一石墨烯层和第二石墨烯层的面阻值均为200Ω/sq，如果给第一石墨烯层加载大于0v且小于5v电压，此时第一石墨烯层和第二石墨烯层的面阻值均大于200Ω/sq且小于2000Ω/sq，且两者相等，而且在第一石墨烯层和第二石墨烯层之间施加的偏置电压越大，第一石墨烯层和第二石墨烯层的面阻值就会越小，在第一石墨烯层和第二石墨烯层之间施加的偏置电压越小，第一石墨烯层和第二石墨烯层的面阻值就会越大，第一石墨烯层和第二石墨烯层在微波频段有着良好的可调面阻值性质及很好的透光性，通过添加偏置电压使第一石墨烯层和第二石墨烯层能够更加容易稳定的实现面阻值从2000Ω/sq-200Ω/sq的调整，因此在不影响整体结构透明性的前提下能够调整整体结构的等效输入阻抗，从而调整阻抗匹配条件以调节整个吸波结构的吸波幅度，三明治结构下方采用了第一氧化铟锡层、第二氧化铟锡层和第三氧化铟锡层，第一氧化铟锡层、第二氧化铟锡层和第三氧化铟锡层具有不同面阻值，其中面阻值为500Ω/sq的第一氧化铟锡层和面阻值为200Ω/sq第二氧化铟锡层分别充当介质损耗层，第二介质基板层与第一氧化铟锡层之间的距离为1cm，第三介质基板层与第二氧化铟锡层之间的距离为1cm，第四介质基板层与第三氧化铟锡层之间的距离为1cm，由此各层之间间隔1cm，与三明治结构一起满足传输线的传输理论，面阻值为5Ω/sq的第三氧化铟锡层作为电磁波的屏蔽反射层，使电磁波反射回三明治结构以及介质损耗层中直至将电磁波能量损耗殆尽，本发明整体结构采用了多层结构来实现，通过调整三明治结构中第一石墨烯层和第二石墨烯层的面阻值来改变整体结构对于电磁波的吸收效果，同时采用面阻值不同的第一氧化铟锡层和第二氧化铟锡层作为两个介质损耗层来与三明治结构进行匹配，使整体结构满足电磁波传输线理论，具有稳定的吸波效果，在最高幅度吸波情况下吸波相对带宽达到了150％，同时由于整个结构中每层均为常规的矩形结构，无特殊图案化，对于TE极化波和TM极化波都能够达到同样优异的吸收效果，另外由于第一氧化铟锡层、第二氧化铟锡层和第三氧化铟锡层具有光学透明的材料性质，第一氧化铟锡层与第二介质基板层之间形成第一空隙，第二氧化铟锡层与第三介质基板层之间形成第二空隙，第三氧化铟锡层与第四介质基板层之间形成第三空隙，第一空隙、第二空隙和第三空隙内均填充空气，实现整体结构的光学透明性，由此本发明的电磁吸收结构仅通过石墨烯面阻值的调节即可实现吸波幅度调控，在具有光学透明性的同时还具有较大范围吸收幅度可调以及相对带宽更宽的吸波特点，吸波效果好。
附图说明
图1为本发明的同时具有光学透明性和可调吸波幅度的宽带电磁吸收结构的侧视图；
图2为本发明的同时具有光学透明性和可调吸波幅度的宽带电磁吸收结构在第一石墨烯层和第二石墨烯层处于不同面阻值情况下，对垂直入射电磁波的反射率随频率的变化曲线图；
图3为本发明的同时具有光学透明性和可调吸波幅度的宽带电磁吸收结构在第一石墨烯层和第二石墨烯层处于不同面阻值情况下，对垂直入射电磁波的吸收率随频率的变化曲线图。
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所示，一种具有光学透明的吸波幅度可调的宽带电磁吸收结构，包括第一介质基板层1、第一石墨烯层2、隔膜层3、第二石墨烯层4、第二介质基板层5、第一氧化铟锡层6、第三介质基板层7、第二氧化铟锡层8、第四介质基板层9、第三氧化铟锡层10和第五介质基板层11，第一介质基板层1、第一石墨烯层2、隔膜层3、第二石墨烯层4、第二介质基板层5、第一氧化铟锡层6、第三介质基板层7、第二氧化铟锡层8、第四介质基板层9、第三氧化铟锡层10和第五介质基板层11均为矩形，第一介质基板层1、第一石墨烯层2、隔膜层3、第二石墨烯层4、第二介质基板层5、第一氧化铟锡层6、第三介质基板层7、第二氧化铟锡层8、第四介质基板层9、第三氧化铟锡层10和第五介质基板层11的前端面位于同一平面，第一介质基板层1、第一石墨烯层2、隔膜层3、第二石墨烯层4、第二介质基板层5、第一氧化铟锡层6、第三介质基板层7、第二氧化铟锡层8、第四介质基板层9、第三氧化铟锡层10和第五介质基板层11的后端面位于同一平面，第一介质基板层1、第一石墨烯层2、隔膜层3、第二石墨烯层4、第二介质基板层5、第一氧化铟锡层6、第三介质基板层7、第二氧化铟锡层8、第四介质基板层9、第三氧化铟锡层10和第五介质基板层11的左端面位于同一平面，第一介质基板层1、第一石墨烯层2、隔膜层3、第二石墨烯层4、第二介质基板层5、第一氧化铟锡层6、第三介质基板层7、第二氧化铟锡层8、第四介质基板层9、第三氧化铟锡层10和第五介质基板层11的右端面位于同一平面，第一介质基板层1、第一石墨烯层2、隔膜层3、第二石墨烯层4和第二介质基板层5按照从上到下顺序依次层叠在一起，且相邻两层之间相互连接，第一氧化铟锡层6位于第二介质基板层5下方，第一氧化铟锡层6与第二介质基板层5之间具有一段距离，第一氧化铟锡层6与第二介质基板层5之间形成第一空隙，第一空隙内充满空气，第三介质基板层7位于第一氧化铟锡层6下方，第一氧化铟锡层6附着在第三介质基板层7的上表面，第二氧化铟锡层8位于第三介质基板层7下方，第二氧化铟锡层8与第三介质基板层7之间具有一段距离，第二氧化铟锡层8与第三介质基板层7之间形成第二空隙，第二空隙内充满空气，第四介质基板层9位于第二氧化铟锡层8下方，第二氧化铟锡层8附着在第四介质基板层9的上表面，第三氧化铟锡层10位于第四介质基板层9下方，第三氧化铟锡层10与第四介质基板层9之间具有一段距离，第三氧化铟锡层10与第四介质基板层9之间形成第三空隙，第三空隙内充满空气，第五介质基板层11位于第三氧化铟锡层10下方，第三氧化铟锡层10附着在第五介质基板层11的上表面，当在第一石墨烯层2和第二石墨烯层4之间施加偏置电压时，第一石墨烯层2和第二石墨烯层4的面阻值在200Ω/sq-2000Ω/sq范围内变化，当第二石墨烯层4接地时，如果给第一石墨烯层2加载0v电压，此时第一石墨烯层2和第二石墨烯层4的面阻值均2000Ω/sq，如果给第一石墨烯层2加载5v电压，此时第一石墨烯层2和第二石墨烯层4的面阻值均为200Ω/sq，如果给第一石墨烯层2加载大于0v且小于5v电压，此时第一石墨烯层2和第二石墨烯层4的面阻值均大于200Ω/sq且小于2000Ω/sq，且两者相等，而且在第一石墨烯层2和第二石墨烯层4之间施加的偏置电压越大，第一石墨烯层2和第二石墨烯层4的面阻值就会越小，在第一石墨烯层2和第二石墨烯层4之间施加的偏置电压越小，第一石墨烯层2和第二石墨烯层4的面阻值就会越大，第一氧化铟锡层6采用面阻值为500Ω/sq的氧化铟锡实现，第二氧化铟锡层8采用面阻值为200Ω/sq的氧化铟锡实现，第三氧化铟锡层10采用面阻值为5Ω/sq氧化铟锡实现。第二介质基板层5与第一氧化铟锡层6之间的距离为1cm，第三介质基板层7与第二氧化铟锡层8之间的距离为1cm，第四介质基板层9与第三氧化铟锡层10之间的距离为1cm。
本实施例中，第一介质基板层1、第二介质基板层5、第三介质基板层7、第四介质基板层9和第五介质基板层11均采用厚度为0.125mm，介电常数为2.8的PET材料，隔膜层3采用浸有离子液的隔膜纸实现，隔膜层3的厚度为0.01mm，所用离子液为1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐。
对本发明的同时具有光学透明性和可调吸波幅度的宽带电磁吸收结构进行仿真，其中，本发明的同时具有光学透明性和可调吸波幅度的宽带电磁吸收结构在第一石墨烯层和第二石墨烯层处于不同面阻值情况下，对垂直入射电磁波的反射率随频率的变化曲线图如图2所示，本发明的同时具有光学透明性和可调吸波幅度的宽带电磁吸收结构在第一石墨烯层和第二石墨烯层处于不同面阻值情况下，对垂直入射电磁波的吸收率随频率的变化曲线图如图3所示。
分析图2和图3可知，当本发明的电磁吸收结构的第一石墨烯层和第二石墨烯层的面阻值为200Ω/sq-2000Ω/sq时，当在第一石墨烯层和第二石墨烯层之间施加的偏置电压越大，第一石墨烯层和第二石墨烯层的面阻值就会越小，当减小偏置电压时，第一石墨烯层和第二石墨烯层的面阻值就会相应增大，随着第一石墨烯层和第二石墨烯层面阻值的不断增大，其对于电磁波幅度的损耗也会越大，实现了本发明的电磁吸收结构的吸波幅度的可调节，通过加载偏置电压改变第一石墨烯层和第二石墨烯层的面阻值可以使本发明的电磁吸收率从60％调节到99％，本发明的宽带吸波的相对带宽达到了150％，并且实现了较大范围的吸波幅度可调。

Claims (2)

1.一种具有光学透明的吸波幅度可调的宽带电磁吸收结构，其特征在于包括第一介质基板层、第一石墨烯层、隔膜层、第二石墨烯层、第二介质基板层、第一氧化铟锡层、第三介质基板层、第二氧化铟锡层、第四介质基板层、第三氧化铟锡层和第五介质基板层，所述的第一介质基板层、所述的第一石墨烯层、所述的隔膜层、所述的第二石墨烯层、所述的第二介质基板层、所述的第一氧化铟锡层、所述的第三介质基板层、所述的第二氧化铟锡层、所述的第四介质基板层、所述的第三氧化铟锡层和所述的第五介质基板层均为矩形，所述的第一介质基板层、所述的第一石墨烯层、所述的隔膜层、所述的第二石墨烯层、所述的第二介质基板层、所述的第一氧化铟锡层、所述的第三介质基板层、所述的第二氧化铟锡层、所述的第四介质基板层、所述的第三氧化铟锡层和所述的第五介质基板层的前端面位于同一平面，所述的第一介质基板层、所述的第一石墨烯层、所述的隔膜层、所述的第二石墨烯层、所述的第二介质基板层、所述的第一氧化铟锡层、所述的第三介质基板层、所述的第二氧化铟锡层、所述的第四介质基板层、所述的第三氧化铟锡层和所述的第五介质基板层的后端面位于同一平面，所述的第一介质基板层、所述的第一石墨烯层、所述的隔膜层、所述的第二石墨烯层、所述的第二介质基板层、所述的第一氧化铟锡层、所述的第三介质基板层、所述的第二氧化铟锡层、所述的第四介质基板层、所述的第三氧化铟锡层和所述的第五介质基板层的左端面位于同一平面，所述的第一介质基板层、所述的第一石墨烯层、所述的隔膜层、所述的第二石墨烯层、所述的第二介质基板层、所述的第一氧化铟锡层、所述的第三介质基板层、所述的第二氧化铟锡层、所述的第四介质基板层、所述的第三氧化铟锡层和所述的第五介质基板层的右端面位于同一平面，所述的第一介质基板层、所述的第一石墨烯层、所述的隔膜层、所述的第二石墨烯层和所述的第二介质基板层按照从上到下顺序依次层叠在一起，且相邻两层之间相互连接，所述的第一氧化铟锡层位于所述的第二介质基板层下方，所述的第一氧化铟锡层与所述的第二介质基板层之间具有一段距离，所述的第一氧化铟锡层与所述的第二介质基板层之间形成第一空隙，所述的第一空隙内充满空气，所述的第三介质基板层位于所述的第一氧化铟锡层下方，所述的第一氧化铟锡层附着在所述的第三介质基板层的上表面，所述的第二氧化铟锡层位于所述的第三介质基板层下方，所述的第二氧化铟锡层与所述的第三介质基板层之间具有一段距离，所述的第二氧化铟锡层与所述的第三介质基板层之间形成第二空隙，所述的第二空隙内充满空气，所述的第四介质基板层位于所述的第二氧化铟锡层下方，所述的第二氧化铟锡层附着在所述的第四介质基板层的上表面，所述的第三氧化铟锡层位于所述的第四介质基板层下方，所述的第三氧化铟锡层与所述的第四介质基板层之间具有一段距离，所述的第三氧化铟锡层与所述的第四介质基板层之间形成第三空隙，所述的第三空隙内充满空气，所述的第五介质基板层位于所述的第三氧化铟锡层下方，所述的第三氧化铟锡层附着在所述的第五介质基板层的上表面，当在所述的第一石墨烯层和所述的第二石墨烯层之间施加偏置电压时，所述的第一石墨烯层和所述的第二石墨烯层的面阻值在200Ω/sq-2000Ω/sq范围内变化，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2000Ω/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2000Ω/sq，且两者相等，而且在所述的第一石墨烯层和所述的第二石墨烯层之间施加的偏置电压越大，所述的第一石墨烯层和所述的第二石墨烯层的面阻值就会越小，在所述的第一石墨烯层和所述的第二石墨烯层之间施加的偏置电压越小，所述的第一石墨烯层和所述的第二石墨烯层的面阻值就会越大，所述的第一氧化铟锡层采用面阻值为500Ω/sq的氧化铟锡实现，所述的第二氧化铟锡层采用面阻值为200Ω/sq的氧化铟锡实现，所述的第三氧化铟锡层采用面阻值为5Ω/sq氧化铟锡实现。所述的第二介质基板层与所述的第一氧化铟锡层之间的距离为1cm，所述的第三介质基板层与所述的第二氧化铟锡层之间的距离为1cm，所述的第四介质基板层与所述的第三氧化铟锡层之间的距离为1cm。
2.根据权利要求1所述的一种光学透明的吸波幅度可调宽带电磁吸收结构，其特征在于所述的第一介质基板层、所述的第二介质基板层、所述的第三介质基板层、所述的第四介质基板层和所述的第五介质基板层均采用厚度为0.125mm，介电常数为2.8的PET材料，所述的隔膜层采用浸有离子液的隔膜纸实现，所述的隔膜层的厚度为0.01mm，所用离子液为1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐。
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