[發明專利]基于石墨烯的人工超表面電磁波幅度調制器

有效

• 申請號: 201710523266.8
• 申請日: 2017-06-30
• 公開（公告）號: CN107331972B
• 公開（公告）日: 2020-04-21
• 發明（設計）人: 吳邊;李慧玲;趙雨桐;張偉;賀連星
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H01Q15/14
• 分類號: H01Q15/14
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 程曉霞;王品華

本發明提出一種石墨烯的人工超表面電磁波幅度調制器，主要解決現有電磁波幅度調制器調制范圍小、調制帶寬窄的技術問題，包括直流電源和由上而下依次層疊的頻率選擇表面、三層介質基板和反射板；在第二介質層與反射板間設有相對介電常數小于3的介質層，展寬了吸波帶寬；頻率選擇表面由m×n個十字形周期單元構成，十字形單元的中心為嵌入石墨烯薄膜的矩形環金屬貼片，矩形環金屬貼片上下連有金屬枝節；水平金屬細導線將整行單個十字形單元串接一體。本發明結構簡單，采用嵌入石墨烯薄膜的金屬貼片使調制帶寬更寬且反射波調制幅度更大；使用電導率高的反射板，減小了吸波器對電磁波的透射。適用于主動電磁隱身和電光開關設備。

技術領域

本發明屬于電磁隱身技術領域，主要涉及幅度調制器，具體是一種基于石墨烯的人工超表面電磁波幅度調制器，可用于主動電磁隱身和電光開關設備。

背景技術

石墨烯是由單層六邊形原胞碳原子組成的蜂窩狀二維薄膜材料，具有獨特的二維結構和零帶隙電子能帶，擁有極高的電子及空穴遷移率，優異的力學、電學、光學性能以及良好的電導率可調特性，適合應用于光學器件和透明電磁器件，如極化器、濾波器、反射器、調制器以及表面等離極化激元(SPP)傳輸器等，是一種性能可調、極富潛力的新材料。

人工電磁超表面是由一系列人工設計的二維周期結構排列構成，具有平面化、寬頻域、寬角域、可編程等電磁調控特性。為了實現電磁波的動態調制，科學家們提出了半導體、相變材料、液晶等這類活性媒質，其光電性質會隨外加光、電、熱等變化而變化，可實現可調電磁波超材料。然而由于這些材料本身有著容易受溫度變化影響或性質變化范圍較小的局限性，并不能完全達到人們對主動調制范圍、穩定性和速度等要素的要求。而石墨烯超材料則具有調制方便、調制范圍較大等優勢，因此將石墨烯和人工電磁超表面這兩種二維材料進行結構一體化設計，通過在外部施加不同的控制信號來實現對電磁波的各種調控，可實現一種寬帶可調控電磁波反射和透射的復合結構，這在調控電磁波的傳播方面和無線信息傳播領域有很好的應用前景。

目前，很多人工電磁超表面結構可以實現對電磁波幅度的調制，但是考慮到調制帶寬和調制幅度等因素，它們的調制結果并不能完全令人滿意，其調制幅度和帶寬仍有著很大的提升空間。例如，2012年Sensale-Rodriguez等在NANO LETTERS期刊(2012,12(9):4518-4522.)上發表了“Extraordinary Control of Terahertz Beam Reflectance inGraphene Electro-absorption Modulators”，論文中采用電調諧單層石墨烯的的方法實現了反射式太赫茲波幅度調制器的設計，調制器的表面結構僅由一片石墨烯薄膜構成，該結構克服了幅度調制范圍小的問題，但是該調制器的相對工作帶寬為10％，調制帶寬比較窄。2014年David S.Jessop等在American Chemical Society期刊(2014,8(3):2548-2554.)發表了“Low-bias terahertz amplitude modulator based on split-ringresonators and graphene”，論文中采用開口諧振環與石墨烯疊加的復合結構，通過調節超材料偏壓，動態調制反射波強度，但是該調制器的調制深度僅為18％，幅度調制范圍小，且調制帶寬低于20％，相對工作帶寬很窄，這將限制這種調制器的適用范圍，實用性不夠好。

隨著基于人工超表面的調制器在無線通信以及電磁隱身中的應用越來越廣泛，這就要求這種調制器具備更加簡單的結構、便捷的調制方式以及更好的調制效果。而現有技術設計的這類調制器一方面調制帶寬較窄，難以滿足寬頻帶范圍的調制；另一方面其調制方式不夠便捷靈活，幅度調制范圍很小，極大影響了調制效果。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術的不足，提出一種基于石墨烯的人工超表面電磁波幅度調制器。