[發明專利]帶寬及吸收頻段可調的石墨烯吸波器及其吸波調節方法

在審

• 申請號: 201710954128.5
• 申請日: 2017-10-13
• 公開（公告）號: CN107742782A
• 公開（公告）日: 2018-02-27
• 發明（設計）人: 熊漢;董吉;曾瑞雪;李魯超;歐照杰;唐明春;曾孝平
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: H01Q17/00
• 分類號: H01Q17/00;G02B5/00;G02F1/17
• 代理公司: 重慶博凱知識產權代理有限公司50212
• 代理人: 伍倫辰

技術領域

本發明涉及紅外隱身技術領域，尤其涉及帶寬及吸收頻段可調的石墨烯吸波器及其吸波調節方法。

背景技術

目前，吸波材料早已超出電磁隱身與對抗等軍事領域，在安全通信、電磁防護等民用領域的需求也日益迫切。理想的吸波材料必須具有吸波強、頻帶寬、重量輕、厚度薄、易共形等優點，然而現有的吸波材料無法同時滿足“強、寬、輕、薄、柔”的高要求。近年來，通過 Salisbury 吸收屏、碳納米管，表面等離子體等技術實現特定電磁波的吸收。但是，這些吸波器件大多頻帶單一、厚度較厚、吸波率較低、入射角穩定性較差、對偏振較為敏感，大幅降低它們的應用前景。

現有技術中，已有的石墨烯薄膜吸波器采用多個相同的貼片單元，每個貼片單元由多個相同的貼片組成，通過控制直流電源電壓，使得石墨烯薄膜電導率發生相應變化，從而改變吸波器的輸入阻抗與自由空間阻抗的匹配程度，實現對吸波率的動態調節。然而，其所有貼片單元及貼片單元的貼片均相同，且所有石墨烯薄膜均由一個電壓源控制，對石墨烯的調節功能有限，該技術方案能吸收的電磁波的帶寬較窄。

因此，如何提升石墨烯薄膜吸波器的帶寬以及使吸收頻段可調成為了本領域技術人員亟需解決的問題。

發明內容

針對現有技術存在的上述不足，本發明要解決的技術問題是：如何提升石墨烯吸波器的吸收帶寬及使吸收頻段可調。

為解決上述技術問題，本發明采用了如下的技術方案：

一種帶寬及吸收頻段可調的石墨烯吸波器，其特征在于，由M×N個吸波單元組成，M和N是自然數，M>2，N>2，每個所述吸波單元包括底層金屬及2×2個吸波片，每個所述吸波片均貼附在所述底層金屬上，每個所述吸波片從上到下依次由頂層金屬、石墨烯層及電介質層貼附而成，每個所述吸波片的石墨烯層與底層金屬分別通過一個獨立電源連接。

每個吸波單元上有四個吸波片，且每個吸波片的石墨烯層與底層金屬分別通過一個獨立電源連接，因此，本石墨烯吸波器在調節施加在吸波片上的電壓大小從而調節吸波片的吸波頻段以外，還可以向不同的吸波片施加大小不同的電壓，從而使一個吸波單元上的各個吸波片的吸波帶寬不同，從而實現提升吸波器帶寬的目的。

優選地，所述電介質層的相對介電常數為ε_r=2、相對磁導率為μ_r=1。

從材料庫中選取的介質材料其相對介電常數為ε_r=2、相對磁導率為μ_r=1，使優化出來的參數能夠很好地與空氣相匹配。

優選地，每個吸波單元上的吸波片的橫截面積不同。

在同一個吸波單元上采用不同橫截面積的吸波片，在調節施加在石墨烯與金屬地之間的電壓時，可進一步的調節石墨烯吸波器可吸收的電磁波的頻段。

優選地，吸波片為正四邊形塊。

將吸波片做成正四邊形塊，既便于加工，也便于將吸波片貼服在底層金屬上。

為進一步優化上述技術方案，從所述吸波單元的左上角開始順時針排列分別為第一吸波片、第二吸波片、第三吸波片及第四吸波片，其中所述第一吸波片的電介質層厚度為0.46um，邊長為2.3um，所述第一吸波片上的石墨烯層與底層金屬間連接第一獨立電源，所述第二吸波片的電介質層厚度為0.46um，邊長為3.1um，所述第二吸波片上的石墨烯層與底層金屬間連接第二獨立電源，所述第三吸波片的電介質層厚度為0.46um，邊長為1.9um，所述第三吸波片上的石墨烯層與底層金屬間連接第三獨立電源，所述第四吸波片的電介質層厚度為0.46um，邊長為2.7um，所述第四吸波片上的石墨烯層與底層金屬間連接第四獨立電源，所有石墨烯層的厚度為1nm。

每個吸波單元上設置四塊尺寸不同的吸波片，在提升石墨烯吸波器帶寬的同時，也保證了每個吸波單元的制造成本不會過高，采用這種結構的吸波單元組成的石墨烯吸波器，并通過獨立電源向吸波片施加適當的電壓，在13.6-22THz可以達到90%以上的吸收率，超過90%的吸收率帶寬達到13.7THz。

優選地，頂層金屬及底層金屬為金。

在太赫茲頻段基本都用金作金屬層，因為金在太赫茲頻段的損耗最小

優選地，底層金屬層厚度為0.2um和頂層金屬層厚度為0.1um。

在所考慮的頻段范圍，入射波在金屬中的趨膚深度為70nm，因此厚度為0.2um的底層金屬能夠有效的防止電磁波透射過吸波器。頂層和底層金屬的目的在于將耦合到介質層和石墨烯層的不同頻率電磁波束縛在介質層和石墨烯層內，并最終使其以焦耳熱的形式在石墨烯層被吸收。