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基于石墨烯和频率选择表面的超薄电磁吸波表面制造技术

技术编号:17306526 阅读:102 留言:0更新日期:2018-02-19 02:35
本发明专利技术公开了基于石墨烯和频率选择表面的超薄电磁吸波表面,属于微波器件技术领域,包括自上而下叠合设置的电解液石墨烯三明治层、隔离层、金属频率选择表面层、介质层和金属底板。本发明专利技术的基于石墨烯和频率选择表面的超薄电磁吸波表面将电解液调控石墨烯技术和金属频率选择表面结合在一起设计可动态调控的反射表面,不仅结构简单、厚度超薄便于集成,而且可以在外加电压的作用下动态调控此装置的反射系数实现“吸波”和“反射”两种工作状态,并对入射电磁波入射角度和极化角度不敏感,适用于通信、家用消费电子和军事隐身技术等领域,具备很好的实用性。

Ultrathin electromagnetic absorbing surface based on graphene and frequency selective surface

【技术实现步骤摘要】
基于石墨烯和频率选择表面的超薄电磁吸波表面
本专利技术属于微波器件
,具体涉及基于石墨烯和频率选择表面的超薄电磁吸波表面。
技术介绍
现有的绝大多数的电磁吸收表面都还是功能单一、非智能动态可调的。近年来,伴随着技术进步和工程需要,为了应对高功率微波武器和抗电磁干扰以及隐身的需求,开关型动态可调的电磁吸波表面具有十分重要的意义。传统的频率选择表面技术已经在电磁吸波表面器件上有了比较重要的应用,例如美国第四代战斗机F22在机头雷达罩上采用了频率选择表面的天线罩,为带内提供电磁窗口的同时,还提供了带外隐身的独特功能。由于频率选择表面的频率选择功能,可以额外缩减飞机头向的雷达散射面积。但是这类电磁吸波表面仍然属于无源不可调的非智能器件。自从2004年发现石墨烯以来,引起了人们强烈的研究兴趣。G.W.Hanson教授提出,石墨烯的电导率可以由Kubo公式表示为(“DuadicGreen’sfunctionsandguidedsurfacewavesforasurfaceconductivitymodelofgraphene,”J.Appl.Phys.103(6),064302,2008)。其中-e为电子电量,为普朗克常数,kB为波尔兹曼常数,fd(ε)=1/(1+exp[(ε-μc)/(kBT)])是费米狄拉克分布,ω为角频率,μc为化学势,Γ表示散射率,T表示温度。由上述公式可知,石墨烯的电导率是随着化学势的变化而变化的,不同的电导率又对应着不同的介电常数,它们的对应关系为:Re(εg,eq)=-σg,i/ωΔ+ε0≈-σg,石墨烯的损耗为|Im(εg,eq)/Re(εg,eq)|。所以,我们可以通过改变石墨烯的化学势来得到我们想要的介电常数,从而可以得到不同的折射率。因此,石墨烯是一种可以用来制作电磁波吸收器的理想材料。石墨烯化学势与门电压的关系为:2015年OsmanBalci教授提出用附加电极的电解液在微波波段来调控石墨电导率特性。(“Graphene-enabledelectricallyswitchableradar-absorbingsurfaces,NatureCommun,6,6628,2015”)。我们将电压动态调控石墨烯技术结合频率选择表面来设计实现有源动态电磁吸波表面,从而拓展了多功能智能化电磁吸波器件的新领域。
技术实现思路
专利技术目的:为了解决现有技术存在的问题,本专利技术提供基于石墨烯和频率选择表面的超薄电磁吸波表面,它具有结构简单、重量轻、厚度薄等特点,而且可以通过有源动态调控实现开关型电磁吸波的功能。技术方案:为了实现上述专利技术目的,本专利技术采用如下技术方案:基于石墨烯和频率选择表面的超薄电磁吸波表面,包括自上而下叠合设置的电解液石墨烯三明治层、隔离层、金属频率选择表面层、介质层和金属底板。在所述的金属底板上设置介质层,在介质层上设置金属频率选择表面层,在金属频率选择表面层上设置隔离层,在隔离层上设置电解液石墨烯三明治层。所述的电解液石墨烯三明治层包括第一石墨烯层、电解液层和第二石墨烯层,所述的电解液层设置在第一石墨烯层和第二石墨烯层中间。第一石墨烯层和第二石墨烯层均为单层石墨烯铺在聚氯乙烯材料的薄膜衬底上加工而成。所述的电解液层是由甲基苯二酸二乙酯、三氟甲磺酰亚胺和Tf2N离子液混合而成。所述的隔离层为泡沫板,泡沫板材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯,厚度为1.2毫米。所述的金属频率选择表面层为40微米厚的铜薄片蚀刻成方环型周期结构。金属频率选择表面层的尺寸为14cm×14cm,包含20×20个方环单元;其中,每个方环单元的尺寸为7mm×7mm,方环结构的边长为5.3mm,宽度为1.2mm。所述的电解液石墨烯层厚度为0.1毫米。所述的介质层是印刷电路板材料,厚度1.575毫米。所述的金属底板的材质为铜,厚度为0.1mm。专利技术原理:基于石墨烯和频率选择表面的超薄电磁吸波表面,包括自上而下叠合设置的电解液石墨烯三明治层、隔离层、金属频率选择表面层、介质层和金属底板。当电磁波入射至该装置时,首先接触到石墨烯三明治层。又前面介绍所得,石墨烯三明治结构可以由外加电压动态调节其电导率从而影响石墨烯三明治层的表面阻抗。根据电磁波阻抗匹配原理,当外加电压调节石墨烯三明治层的表面阻抗等于自由空间阻抗约为(377欧姆)时,电磁波无阻碍的穿透石墨烯三明治层,到达金属频率选择表面层。金属频率选择表面层在特定频率的电磁波入射下可以产生强烈的电磁谐振,结合介质层和金属底板构成一个腔体,绝大部分的电磁波能量在此被消耗掉,从而达到“吸波”的工作状态。另一方面,当外加电压调节石墨烯三明治层的表面阻抗和自由空间阻抗相差较大时,电磁波的传输会产生阻抗失配,绝大部分的电磁波不会穿透石墨烯三明治层,而是反射回自由空间。在这种情况下,实现的是“反射”的工作状态。有益效果:与现有技术相比,本专利技术的基于石墨烯和频率选择表面的超薄电磁吸波表面将电压动态调控石墨烯技术和频率选择表面结合在一起电磁吸波表面,不仅结构简单、厚度薄重量轻便于集成,而且可以通过外加电压控制实现“吸波”、“反射”的切换功能,此外该电磁吸波表面对电磁波入射角度和极化角度不敏感,适用于通信、和军事隐身技术等领域,具备很好的实用性。附图说明图1是电磁吸波侧面结构示意图;图2是电磁吸波表面的俯视和部分剖开结构示意图;图3是频率选择表面层金属图案结构示意图;图4是利用电解液调控石墨烯表面阻抗装置结构示意图;图5是所设计电磁吸波表面吸波原理的等效电路示意图;图6是动态调控的反射率的频率分布图;图7是电磁波多入射角度照射下的频率分布图。具体实施方式下面结合附图和具体实施实例对本专利技术进一步说明。应理解这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围,在阅读了本专利技术之后,本领域技术人员对本专利技术的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。如图1-2所示,一种基于电解液调控石墨烯的超薄电磁波吸收器,包括由下而上叠合在一起的四层结构:电解液石墨烯层1、隔离层2、金属频率选择表面层3、介质层4和金属底板5;在金属底板5上设置介质层4,在介质层4上设置金属频率选择表面层3,在金属频率选择表面层3上设置隔离层2,在隔离层2上设置电解液石墨烯层1。如图4所示,电解液石墨烯层1包括第一石墨烯层11、电解液层12和第二石墨烯层13。第一石墨烯层11和第二石墨烯层13是相同的,均为单层石墨烯铺在聚氯乙烯材料的薄膜衬底上加工而成。电解液层12是由甲基苯二酸二乙酯、三氟甲磺酰亚胺和Tf2N(1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐)离子液混合而成。电解液层12被设置为夹在第一石墨烯层11和第二石墨烯层13中间。电解液石墨烯层1的厚度为0.1mm。图4中V是指加在两层石墨烯上的电极的电压,范围是-5伏特到+5伏特。电解液层12为爱为科研品牌的1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐;CAS:174501-64-5;≥99%;[BMIM]PF6。隔离层2是聚对苯二甲酸乙二醇酯泡沫板,厚度为1.2毫米,主要用于分隔电解液石墨烯层1和金属频率选择表面层3,以防止电压泄露至金属表面,隔离层2具有质量轻厚度薄隔离性好的特点。金属频率选择表面层3,厚度为十几微米,可以忽略不计。介质层4是印刷电路板材料,厚度本文档来自技高网
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基于石墨烯和频率选择表面的超薄电磁吸波表面

【技术保护点】
基于石墨烯和频率选择表面的超薄电磁吸波表面,其特征在于:包括自上而下叠合设置的电解液石墨烯三明治层(1)、隔离层(2)、金属频率选择表面层(3)、介质层(4)和金属底板(5)。

【技术特征摘要】
1.基于石墨烯和频率选择表面的超薄电磁吸波表面,其特征在于:包括自上而下叠合设置的电解液石墨烯三明治层(1)、隔离层(2)、金属频率选择表面层(3)、介质层(4)和金属底板(5)。2.根据权利要求1所述的基于石墨烯和频率选择表面的超薄电磁吸波表面,其特征在于:所述的电解液石墨烯三明治层(1)包括第一石墨烯层(11)、电解液层(12)和第二石墨烯层(13),所述的电解液层(22)设置在第一石墨烯层(11)和第二石墨烯层(13)中间。3.根据权利要求2所述的基于石墨烯和频率选择表面的超薄电磁吸波表面,其特征在于:第一石墨烯层(11)和第二石墨烯层(13)均为单层石墨烯铺在聚氯乙烯材料的薄膜衬底上加工而成。4.根据权利要求2所述的基于石墨烯和频率选择表面的超薄电磁吸波表面,其特征在于:所述的电解液层(12)是由甲基苯二酸二乙酯、三氟甲磺酰亚胺和Tf2N离子液混合而成。...

【专利技术属性】
技术研发人员:陆卫兵张金陈昊刘震国
申请(专利权)人:东南大学
类型:发明
国别省市:江苏,32

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