基于局部非周期結(jié)構的石墨烯超寬帶吸波器的制造方法
【專利摘要】一種基于局部非周期結(jié)構的石墨烯超寬帶吸波器，包括金屬板層，在金屬板層上面至少設置一層吸波層，吸波層由下而上依次設置有介質(zhì)層、硅層、絕緣介質(zhì)層和石墨烯層，硅層、絕緣介質(zhì)層和石墨烯層構成偏壓層，其中石墨烯層與硅層分別接外加偏置電壓的正負電極，石墨烯層由若干個石墨烯基本單元在二維方向上以陳列形式組成。本發(fā)明具有很強的實用性，廣泛地用于微波波段、低THz波段。由于其具有簡易性的結(jié)構，容易在加工工藝中實現(xiàn)。通過調(diào)節(jié)石墨烯層的阻抗值及非周期結(jié)構應用，使吸波器獲得超寬帶吸波且呈現(xiàn)對極化不敏感的特性。引入多層非周期石墨烯結(jié)構，再對每一層加載適當偏置電壓，進而使吸波器獲得比基于單層的、周期的結(jié)構更寬的吸波帶寬。
【專利說明】
基于局部非周期結(jié)構的石墨烯超寬帶吸波器
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及電磁吸波器領域，具體涉及一種基于石墨烯的局部非周期結(jié)構超寬帶 吸波器。該吸波器能夠?qū)崿F(xiàn)超帶寬吸波，并且表現(xiàn)出了對極化不敏感的特性，可用于飛行器 等目標的隱身、電磁特性的近場測試等方面。
【背景技術】
[0002] 隨著電子科學與技術的發(fā)展與進步，特別是軍事科技的發(fā)展，使得雷達具備全天 候、抗干擾和遠程探測等能力，這對飛行器的生存能力和突防能力構成嚴重的挑戰(zhàn)。因此， 提高飛行器的隱身性能，對改善飛行器的綜合作戰(zhàn)效能具有重要的現(xiàn)實意義。
[0003] 目前，實現(xiàn)雷達隱身技術的方法大致分為三類:結(jié)構隱身、阻抗加載式隱身和材料 吸波隱身。
[0004]對于結(jié)構隱身而言，其是將入射的電磁波散射到其他方向來減少入射方向的反射 波，但是這一方法只對單站的雷達有效，而面對雙站和多站雷達則飛行器被發(fā)現(xiàn)的概率成 倍增加。
[0005] 阻抗加載式隱身是通過在飛行器的金屬外表加載集總參數(shù)元件或分布參數(shù)元件 來實現(xiàn)。其中，加載的元件產(chǎn)生一個電磁波，該電磁波與雷達波照射到飛行器上的反射波頻 率、極化和振幅均相同，但相位相反。然而，阻抗加載式隱身技術工藝復雜，且在技術層面上 難以實現(xiàn)，以致于停留在理論研究階段而無法開展應用研究。
[0006] 材料吸波隱身是通過介質(zhì)和表面層吸收電磁波，其原理是將電磁波的能量轉(zhuǎn)化為 熱能來形成損耗以此達到隱身的目的。因此，材料吸波隱身成為了科學家和工程師們的重 要研究方向，并且基于這一思路和方向產(chǎn)生了許多的成果。
[0007] 關于材料吸波隱身方面，除了研究高損耗涂料外，更多關注的是吸波器設計。而石 墨烯具有優(yōu)良的導電性、熱穩(wěn)定性好、電子迀移率高、低密度等特性，在吸波材料隱身方面 具有較大的應用前景。因此，基于石墨烯材料的吸波器引發(fā)了極大的研究熱情。
[0008] 在石墨烯吸波器的設計中，多層的吸波結(jié)構能夠拓展吸波帶寬，例如2013年 MuhammadAmin[Muhammad Amin；Mohamed Farhat；Hakan Bagci An ultra-broadband multilayered graphene absorber[J] .Optics Express,2013，N〇.24]等提出將石墨稀運 用到多層吸波器的設計，并且設計出了在低THz寬頻帶的吸波器結(jié)構，但是其表面吸波層非 對稱性結(jié)構導致在寬頻帶內(nèi)對極化入射角敏感，且90 %以上吸收率的相對吸波帶寬也較 窄，單、雙、三層吸波結(jié)構的相對吸波帶寬分別僅為41.8%、73.4%、85%。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0009] 本發(fā)明要的目的是克服上述不足，提供一種基于局部非周期結(jié)構的石墨烯超寬帶 吸波器，有單、雙、多層結(jié)構，本發(fā)明基于石墨烯非周期結(jié)構的吸波器具有很強的實用性，廣 泛地用于微波波段、低THz波段。由于其具有簡易性的結(jié)構，容易在加工工藝中實現(xiàn)。
[0010] 本發(fā)明的目的是以下述方式實現(xiàn)的：
[0011] -種基于局部非周期結(jié)構的石墨烯超寬帶吸波器，包括金屬板層，在金屬板層上 面至少設置一層吸波層，吸波層由下而上依次設置有介質(zhì)層、硅層、絕緣介質(zhì)層和石墨烯 層，硅層、絕緣介質(zhì)層和石墨烯層構成偏壓層，其中石墨烯層與硅層分別接外加偏置電壓的 正負電極，石墨烯層由若干個石墨烯基本單元在二維方向上以陳列形式組成。
[0012] 上述基于局部非周期結(jié)構的石墨烯超寬帶吸波器，所述絕緣介質(zhì)層的厚度為整個 吸波器厚度的1 %-2 %。
[0013] 上述基于局部非周期結(jié)構的石墨稀超寬帶吸波器，所述石墨烯基本單元由石墨稀 材質(zhì)的I結(jié)構、π結(jié)構和m結(jié)構組成，其中π結(jié)構的石墨烯片排列在中心位置，在π結(jié)構的 上、下、左、右分別排列3塊石墨烯片，總共是8塊石墨烯片加上中心位置的石墨烯片構成石 墨烯基本單元，π結(jié)構正上、正左、正下和正右四塊石墨烯片為m結(jié)構，π結(jié)構左上、左下、 右下和右上四塊石墨烯片為I結(jié)構，相鄰石墨烯基本單元有部分重疊。
[0014] 上述基于局部非周期結(jié)構的石墨烯超寬帶吸波器，所述Π 結(jié)構和I結(jié)構的石墨烯 片均為方形結(jié)構。
[0015] 上述基于局部非周期結(jié)構的石墨烯超寬帶吸波器，其中I結(jié)構中石墨烯片的邊長 二倍于π結(jié)構中石墨烯片邊長，m結(jié)構中石墨烯片是由兩個π結(jié)構中石墨烯片拼接組成。
[0016] 上述基于局部非周期結(jié)構的石墨烯超寬帶吸波器，絕緣介質(zhì)層是電介質(zhì)層。
[0017] 上述基于局部非周期結(jié)構的石墨烯超寬帶吸波器，絕緣介質(zhì)層材質(zhì)是二氧化硅或 三氧化二鋁。
[0018] 上述基于局部非周期結(jié)構的石墨烯超寬帶吸波器，介質(zhì)層的材質(zhì)為相對介電常數(shù) 低且無損耗的介質(zhì)。
[0019] 上述基于局部非周期結(jié)構的石墨烯超寬帶吸波器，介質(zhì)層是PMI泡沫或空氣。
[0020] 上述基于局部非周期結(jié)構的石墨烯超寬帶吸波器，金屬板為導電性能高的金屬。
[0021] 基礎知識：1石墨烯具有真正意義上的二維材料，是世界上最薄且硬度最大的物 質(zhì)，可以單獨的穩(wěn)定的存在，且具有很高的電子迀移率及很小的電阻率，最重要的性質(zhì)是具 有表面電導率及電可調(diào)的特性。根據(jù)kubo公式求解出石墨烯電導率與頻率、化學勢、外加偏 置電場、溫度、散射率等參量之間的關系。由上述已知關系進而推導得出石墨烯表面阻抗與 頻率及外加偏壓的關系。因此，可以通過外加偏壓對石墨烯表面阻抗進行宏觀的調(diào)控。
[0022] 2 吸波器的吸收率表達式為:Α(?·) = 1-Κ(?·)-Τ(?·) = 1-|5η|2-|521|2^ψΚ(?·)、Τ (f)分別表示反射率與透射率，Sn、S21分別表示電磁波在吸波器上的反射系數(shù)與透射系數(shù)。 因為一般吸波器在底部區(qū)域會加載理想的金屬板，導致S21 = 0,所以吸收率表達式簡寫成A (f) = l-R(f) = l-|Sn|2〇
[0023] 3在小于ITHz的頻率區(qū)間內(nèi)，對石墨烯層加載一定的偏置電壓所得到的表面阻抗 實部值不隨頻率的改變而發(fā)生改變，而阻抗虛部值隨頻率的增加略微增長，增長的幅度區(qū) 間很小。
[0024] 相對于現(xiàn)有技術，本發(fā)明有以下優(yōu)點：本發(fā)明基于石墨烯非周期結(jié)構的吸波器具 有很強的實用性，廣泛地用于微波波段、低THz波段。由于其具有簡易性的結(jié)構，容易在加工 工藝中實現(xiàn)。石墨烯材料具有電導率及電可調(diào)的特性，使得吸波器的非周期性石墨烯層具 有阻抗可調(diào)的性質(zhì)。通過調(diào)節(jié)石墨烯層的阻抗值及非周期結(jié)構的創(chuàng)新性應用，使吸波器獲 得超寬帶吸波且呈現(xiàn)對極化不敏感的特性。在吸波器設計中，引入多層非周期石墨烯結(jié)構， 再對每一層加載適當偏置電壓，進而使吸波器獲得比基于單層的、周期的結(jié)構更寬的吸波 帶寬。
【附圖說明】
[0025] 圖1是本發(fā)明結(jié)構示意圖。
[0026] 圖2是本發(fā)明雙層吸波層的結(jié)構示意圖。
[0027] 圖3是本發(fā)明石墨烯層結(jié)構示意圖。
[0028] 圖4是本發(fā)明單層吸波器的特性阻抗示意圖。
[0029] 圖5是本發(fā)明單層吸波器的吸收率示意圖。
[0030] 圖6是本發(fā)明不同極化入射波對單層吸收率的影響示意圖。
[0031 ]圖7是本發(fā)明雙層吸波器的特性阻抗示意圖。
[0032]圖8是本發(fā)明雙層吸波器的吸收率示意圖。
[0033 ]圖9是本發(fā)明不同極化入射波對雙層吸收率的影響示意圖。
【具體實施方式】
[0034] 如圖1-3所示，一種基于局部非周期結(jié)構的石墨烯超寬帶吸波器，包括金屬板層， 在金屬板層上面至少設置一層吸波層，吸波層由下而上依次設置有12介質(zhì)層、11娃層、10絕 緣介質(zhì)層和1石墨烯層，硅層、絕緣介質(zhì)層和石墨烯層構成偏壓層，其中石墨烯層與硅層分 別接外加偏置電壓的正負電極，石墨烯層由若干個石墨烯基本單元在二維方向上以陳列形 式組成。所述絕緣介質(zhì)層的厚度為整個吸波器厚度的1%-2%。所述石墨烯基本單元由石墨 烯材質(zhì)的I結(jié)構、Π 結(jié)構和m結(jié)構組成，其中π結(jié)構的石墨烯片排列在中心位置，在π結(jié)構 的上、下、左、右分別排列3塊石墨烯片，總共是8塊石墨烯片加上中心位置的石墨烯片構成 石墨烯基本單元，π結(jié)構正上、正左、正下和正右四塊石墨烯片為m結(jié)構，π結(jié)構左上、左 下、右下和右上四塊石墨烯片為I結(jié)構，相鄰石墨烯基本單元有部分重疊。所述Π 結(jié)構和I結(jié) 構的石墨烯片均為方形結(jié)構。其中I結(jié)構中石墨烯片的邊長二倍于π結(jié)構中石墨烯片邊長， m結(jié)構中石墨烯片是由兩個π結(jié)構中石墨烯片拼接組成。絕緣介質(zhì)層是電介質(zhì)層，絕緣介 質(zhì)層材質(zhì)是二氧化硅或三氧化二鋁。介質(zhì)層的材質(zhì)為相對介電常數(shù)低且無損耗的介質(zhì)，介 質(zhì)層是PMI泡沫或空氣，金屬板為導電性能高的金屬。
[0035] 基于石墨烯的局部非周期結(jié)構超寬帶吸波器有單、雙、多層結(jié)構，單層和雙層的單 元結(jié)構立體圖分別如圖1和圖3所示。
[0036]圖1中"1、3、7、9"是基本單元頂層結(jié)構中四個頂角上大的方形結(jié)構石墨烯片(記為 I結(jié)構），5是頂層結(jié)構中位于中心的小的方形結(jié)構石墨烯片(記為Π 結(jié)構），"2、4、6、8"是頂 層結(jié)構中四個長條矩形結(jié)構石墨烯片(記為m結(jié)構）?；締卧捻敳坑啥S石墨烯材質(zhì)的 i、n、m結(jié)構組成，其中I結(jié)構中石墨烯片的邊長二倍于π結(jié)構石墨烯片邊長，m結(jié)構中石 墨烯片是由兩個π結(jié)構中石墨烯片拼接組成。
[0037] 10是絕緣介質(zhì)層(可取二氧化硅、三氧化二鋁等電介質(zhì)），11是硅層。10、11以及I、 n、m共同組成吸波器的偏壓層，其中石墨烯層與硅層分別接外加偏置電壓的正負電極。12 是吸波器介質(zhì)層（可取PMI泡沫、空氣等相對介電常數(shù)低且無損耗的介質(zhì)），13是理想金屬 板，可取金、銀、鋁、銅、鐵等導電性能高的金屬，代表了飛行器的金屬外表或吸波材料的支 撐結(jié)構。
[0038] 圖2所示的是如圖1所示的基本單元組合而成的吸波器頂部單層二維石墨烯分布 圖。其中相鄰的單元有部分的重疊，如:基本單元1'中石墨烯片"7、8、9"與基本單元V中石 墨烯片"1、2、3"相互重疊;基本單元1'中石墨烯片"3、6、9"與基本單元3'中石墨烯片"1、4、 7"相互重疊;基本單元1'中石墨烯片9與基本單元4'中石墨烯片1相互重疊；同理，其余二維 陣列上的基本單元與相鄰基本單元也有類似的重疊。向四周延伸的箭頭表示頂部單層二維 石墨烯呈周期性排布，由此構成本發(fā)明中超寬帶吸波器的局部非周期石墨烯結(jié)構。
[0039] 圖1中，以硅層11為外加直流電壓的接地極，在Ι、Π 、m結(jié)構中的石墨烯片上統(tǒng)一 加載偏置電壓U1。調(diào)節(jié)石墨烯外加偏置電壓U1，由基礎知識1知道，石墨烯表面阻抗值的大 小會隨著電壓值的大小而發(fā)生改變。從而，吸波器整體結(jié)構的阻抗值具有可調(diào)節(jié)性。且在相 當大的帶寬中可以調(diào)節(jié)到與自由空間阻抗相匹配，進而實現(xiàn)寬頻帶吸波的特點。
[0040] 基于局部非周期結(jié)構的單層石墨烯吸波器如圖1，頂部石墨烯層中石墨烯片5的邊 長大于吸波帶寬中心頻率半波長的1%至7%。在吸波器的設計中，10、11的厚度通常在10um 以內(nèi)，約占整體結(jié)構厚度的1%至2%。介質(zhì)層12的厚度為吸波帶寬中心頻率的四分之一波 長。底板13是理想的金屬板，其厚度在吸波器的設計中取任意不為0的值。由基礎知識2得 知，吸收率由吸波器整體結(jié)構的反射系數(shù)所決定。具體實施例如下：
[0041 ] 單層吸波器頂部石墨稀層5的邊長d=l .5mm，石墨稀片的間距g = 0.6mm，介質(zhì)層12 的厚度h = 0.7mm。通過調(diào)節(jié)石墨稀層的偏置電壓U1，使石墨稀片的阻抗值在170 Ω /sq。上述 單層吸波器的特性阻抗參數(shù)曲線如圖4所示，整體吸波器結(jié)構在51GHz-150GHz的頻率范圍 內(nèi)歸一化阻抗實部基本與自由空間相匹配，且歸一化阻抗虛部基本在0附近。該單層吸波器 的吸波曲線如圖5所示，在5lGHz-150GHz的頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)90 %以上的吸收率，相對吸波帶 寬達到98.5%。圖6是不同極化角度下的吸波曲線圖，從圖中可以看出大范圍的極化入射角 對吸波帶寬及吸收率幾乎沒有任何影響，呈現(xiàn)出極化不敏感特性。
[0042] 基于石墨烯非周期結(jié)構的雙層吸波器如圖3所示，它是基于單層結(jié)構構建而成。 雙、多層吸波器中的底層結(jié)構與圖1單層吸波器是一致的。從第二層起，除了不具備圖1單層 結(jié)構的理想金屬板13外，其余結(jié)構部分的技術參數(shù)與單層結(jié)構是一致的，即雙層吸波器結(jié) 構的第二層由圖3中的石墨烯片1-9、絕緣介質(zhì)層10、硅層11、介質(zhì)層12組成，且1、3、7、9結(jié) 構、5結(jié)構、2、4、6、8結(jié)構、10、11、12結(jié)構既是圖1中的Ι、Π 、ΙΠ 、10、11、12結(jié)構。三層及多層結(jié) 構也是類似的構成，在此不多贅述。
[0043] 在圖3所示的雙層結(jié)構中，從下至上分別為第一層和第二層。以硅結(jié)構11為外加直 流電壓的接地極，在雙層石墨烯中的I、n、m結(jié)構上統(tǒng)一加載偏置電壓U1和U2,用于調(diào)節(jié)石 墨烯表面阻抗。類似的，多層結(jié)構的吸波器第η層石墨烯統(tǒng)一加載的偏置電壓記為Un(n可取 任意的正整數(shù)）。對多層吸波器的每一層施加偏置電壓，依次為U1、U2......Un，進而調(diào)節(jié)每 一層結(jié)構的石墨烯表面阻抗值。從而，所發(fā)明的吸波器阻抗值在相當大的帶寬中可以調(diào)控 到與自由空間阻抗相匹配，實現(xiàn)超寬帶的吸波特點。當吸波器的層數(shù)η多2時，可以獲得比n-1層吸波器更大的帶寬。具體以雙層實施例來說明：
[0044] 基于石墨烯非周期結(jié)構的雙層吸波器具體結(jié)構參數(shù)與上述單層的一致。通過調(diào)節(jié) 石墨稀層的偏置電壓U1、U2,使底層及第二層石墨稀的阻抗值分別穩(wěn)定在170 Ω /sq、250 Ω / sq。雙層吸波器的特性阻抗曲線如圖7所示，發(fā)明的吸波器在25GHz-180GHz的頻率范圍內(nèi)歸 一化阻抗實部基本上與自由空間相匹配，且歸一化阻抗虛部基本在0附近。該雙層吸波器的 吸波曲線如圖8所示，在25GHZ-178GHZ的范圍內(nèi)實現(xiàn)90%以上的吸收率，相對吸波帶寬為 150%。在與單層結(jié)構吸波器相比較，吸波帶寬得到了大跨度的提升。圖9是不同極化角度下 吸波曲線圖，可以看出大范圍的極化入射角對吸波帶寬及吸收率幾乎沒有任何的影響。類 似地，多層吸波結(jié)構(η多2)亦表現(xiàn)出極化不敏感特性。
[0045] 基于石墨烯非周期結(jié)構層的超寬帶吸波器的優(yōu)點:本發(fā)明基于石墨烯非周期結(jié)構 的吸波器具有很強的實用性，廣泛地用于微波波段、低ΤΗζ波段。由于其具有簡易性的結(jié)構， 容易在加工工藝中實現(xiàn)。石墨烯材料具有電導率及電可調(diào)的特性，使得吸波器的非周期性 石墨烯層具有阻抗可調(diào)的性質(zhì)。通過調(diào)節(jié)石墨烯層的阻抗值及非周期結(jié)構的創(chuàng)新性應用， 使吸波器獲得超寬帶吸波且呈現(xiàn)對極化不敏感的特性。在吸波器設計中，引入多層非周期 石墨烯結(jié)構，再對每一層加載適當偏置電壓，進而使吸波器獲得比基于單層的、周期的結(jié)構 更寬的吸波帶寬。
[0046] 以上所述的僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本領域的技術人員來說， 在不脫離本發(fā)明整體構思前提下，還可以作出若干改變和改進，這些也應該視為本發(fā)明的 保護范圍。
【主權項】
1. 一種基于局部非周期結(jié)構的石墨烯超寬帶吸波器，包括金屬板層，其特征在于:在金 屬板層上面至少設置一層吸波層，吸波層由下而上依次設置有介質(zhì)層、硅層、絕緣介質(zhì)層和 石墨烯層，硅層、絕緣介質(zhì)層和石墨烯層構成偏壓層，其中石墨烯層與硅層分別接外加偏置 電壓的正負電極，石墨烯層由若干個石墨烯基本單元在二維方向上以陳列形式組成。2. 根據(jù)權利要求1所述的基于局部非周期結(jié)構的石墨烯超寬帶吸波器，其特征在于:所 述絕緣介質(zhì)層的厚度為整個吸波器厚度的1%_2%。3. 根據(jù)權利要求1所述的基于局部非周期結(jié)構的石墨烯超寬帶吸波器，其特征在于:所 述石墨烯基本單元由石墨稀材質(zhì)的I結(jié)構、Π 結(jié)構和ΙΠ 結(jié)構組成，其中Π 結(jié)構的石墨稀片排 列在中心位置，在Π 結(jié)構的上、下、左、右分別排列3塊石墨烯片，總共是8塊石墨烯片加上中 心位置的石墨烯片構成石墨烯基本單元，Π 結(jié)構正上、正左、正下和正右四塊石墨烯片為m 結(jié)構，Π 結(jié)構左上、左下、右下和右上四塊石墨烯片為I結(jié)構，相鄰石墨烯基本單元有部分重 置。4. 根據(jù)權利要求3所述的基于局部非周期結(jié)構的石墨烯超寬帶吸波器，其特征在于:所 述Π 結(jié)構和I結(jié)構的石墨烯片均為方形結(jié)構。5. 根據(jù)權利要求3所述的基于局部非周期結(jié)構的石墨烯超寬帶吸波器，其特征在于:其 中I結(jié)構中石墨烯片的邊長二倍于Π 結(jié)構中石墨烯片邊長，m結(jié)構中石墨烯片是由兩個π 結(jié)構中石墨烯片拼接組成。6. 根據(jù)權利要求1所述的基于局部非周期結(jié)構的石墨烯超寬帶吸波器，其特征在于:絕 緣介質(zhì)層是電介質(zhì)層。7. 根據(jù)權利要求6所述的基于局部非周期結(jié)構的石墨烯超寬帶吸波器，其特征在于:絕 緣介質(zhì)層材質(zhì)是二氧化硅或三氧化二鋁。8. 根據(jù)權利要求1所述的基于局部非周期結(jié)構的石墨烯超寬帶吸波器，其特征在于:介 質(zhì)層的材質(zhì)為相對介電常數(shù)低且無損耗的介質(zhì)。9. 根據(jù)權利要求8所述的基于局部非周期結(jié)構的石墨烯超寬帶吸波器，其特征在于:介 質(zhì)層是PMI泡沫或空氣。10. 根據(jù)權利要求8所述的基于局部非周期結(jié)構的石墨烯超寬帶吸波器，其特征在于： 金屬板為導電性能高的金屬。
【文檔編號】H01Q17/00GK106025572SQ201610361365
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月26日
【發(fā)明人】朱四新, 姜彥南, 高超寧, 王嬌
【申請人】華北水利水電大學, 桂林電子科技大學