带宽及吸收频段可调的石墨烯吸波器及其吸波调节方法技术

本发明专利技术公开了一种带宽及吸收频段可调的石墨烯吸波器，由M×N个吸波单元组成，M和N是自然数，M>2，N>2，每个吸波单元包括底层金属及2×2个吸波片，每个吸波片均贴附在底层金属上，每个吸波片从上到下依次由顶层金属、石墨烯层及电介质层贴附而成，每个吸波片的石墨烯层与底层金属分别通过一个独立电源连接。通过调节施加在吸波片上的电压大小能够调节吸波片的吸波频段，向不同的吸波片施加大小不同的电压，能够使一个吸波单元上的各个吸波片的吸波带宽不同，从而实现提升吸波器带宽、并且使吸收频段可以调节的目的。

Graphene absorber with adjustable bandwidth and absorption band and its absorption regulation method

Graphene, the invention discloses a bandwidth and absorption frequency adjustable absorber, by M * N absorbing unit, M and N is a natural number, M> 2, N> 2, each absorbing unit comprises a metal bottom and 2 x 2 suction plate, each suction plate are pasted attached to the base metal, each suction plate from top to bottom from the top layer metal, graphene layer and dielectric layer is attached to each absorbing material graphene layer and metal respectively connected by an independent power supply. Applied to the voltage on the suction plate can adjust the suction wave absorbing material by adjusting the voltage applied to different sizes of different absorbing material, can make a suction unit of each wave absorbing wave absorbing bandwidth, thereby enhancing absorber bandwidth, and the absorption band can be adjusted to.

【技术实现步骤摘要】
带宽及吸收频段可调的石墨烯吸波器及其吸波调节方法
本专利技术涉及红外隐身
，尤其涉及带宽及吸收频段可调的石墨烯吸波器及其吸波调节方法。
技术介绍
目前，吸波材料早已超出电磁隐身与对抗等军事领域，在安全通信、电磁防护等民用领域的需求也日益迫切。理想的吸波材料必须具有吸波强、频带宽、重量轻、厚度薄、易共形等优点，然而现有的吸波材料无法同时满足“强、宽、轻、薄、柔”的高要求。近年来，通过Salisbury吸收屏、碳纳米管，表面等离子体等技术实现特定电磁波的吸收。但是，这些吸波器件大多频带单一、厚度较厚、吸波率较低、入射角稳定性较差、对偏振较为敏感，大幅降低它们的应用前景。现有技术中，已有的石墨烯薄膜吸波器采用多个相同的贴片单元，每个贴片单元由多个相同的贴片组成，通过控制直流电源电压，使得石墨烯薄膜电导率发生相应变化，从而改变吸波器的输入阻抗与自由空间阻抗的匹配程度，实现对吸波率的动态调节。然而，其所有贴片单元及贴片单元的贴片均相同，且所有石墨烯薄膜均由一个电压源控制，对石墨烯的调节功能有限，该技术方案能吸收的电磁波的带宽较窄。因此，如何提升石墨烯薄膜吸波器的带宽以及使吸收频段可调成为了本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述不足，本专利技术要解决的技术问题是：如何提升石墨烯吸波器的吸收带宽及使吸收频段可调。为解决上述技术问题，本专利技术采用了如下的技术方案：一种带宽及吸收频段可调的石墨烯吸波器，其特征在于，由M×N个吸波单元组成，M和N是自然数，M>2，N>2，每个所述吸波单元包括底层金属及2×2个吸波片，每个所述吸波片均贴附在所述底层金属上，每个所述吸波片从上到下依次由顶层金属、石墨烯层及电介质层贴附而成，每个所述吸波片的石墨烯层与底层金属分别通过一个独立电源连接。每个吸波单元上有四个吸波片，且每个吸波片的石墨烯层与底层金属分别通过一个独立电源连接，因此，本石墨烯吸波器在调节施加在吸波片上的电压大小从而调节吸波片的吸波频段以外，还可以向不同的吸波片施加大小不同的电压，从而使一个吸波单元上的各个吸波片的吸波带宽不同，从而实现提升吸波器带宽的目的。优选地，所述电介质层的相对介电常数为εr=2、相对磁导率为μr=1。从材料库中选取的介质材料其相对介电常数为εr=2、相对磁导率为μr=1，使优化出来的参数能够很好地与空气相匹配。优选地，每个吸波单元上的吸波片的横截面积不同。在同一个吸波单元上采用不同横截面积的吸波片，在调节施加在石墨烯与金属地之间的电压时，可进一步的调节石墨烯吸波器可吸收的电磁波的频段。优选地，吸波片为正四边形块。将吸波片做成正四边形块，既便于加工，也便于将吸波片贴服在底层金属上。为进一步优化上述技术方案，从所述吸波单元的左上角开始顺时针排列分别为第一吸波片、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电介质层厚度为0.46um，边长为2.3um，所述第一吸波片上的石墨烯层与底层金属间连接第一独立电源，所述第二吸波片的电介质层厚度为0.46um，边长为3.1um，所述第二吸波片上的石墨烯层与底层金属间连接第二独立电源，所述第三吸波片的电介质层厚度为0.46um，边长为1.9um，所述第三吸波片上的石墨烯层与底层金属间连接第三独立电源，所述第四吸波片的电介质层厚度为0.46um，边长为2.7um，所述第四吸波片上的石墨烯层与底层金属间连接第四独立电源，所有石墨烯层的厚度为1nm。每个吸波单元上设置四块尺寸不同的吸波片，在提升石墨烯吸波器带宽的同时，也保证了每个吸波单元的制造成本不会过高，采用这种结构的吸波单元组成的石墨烯吸波器，并通过独立电源向吸波片施加适当的电压，在13.6-22THz可以达到90%以上的吸收率，超过90%的吸收率带宽达到13.7THz。优选地，顶层金属及底层金属为金。在太赫兹频段基本都用金作金属层，因为金在太赫兹频段的损耗最小优选地，底层金属层厚度为0.2um和顶层金属层厚度为0.1um。在所考虑的频段范围，入射波在金属中的趋肤深度为70nm，因此厚度为0.2um的底层金属能够有效的防止电磁波透射过吸波器。顶层和底层金属的目的在于将耦合到介质层和石墨烯层的不同频率电磁波束缚在介质层和石墨烯层内，并最终使其以焦耳热的形式在石墨烯层被吸收。优选地，每个吸波单元的底层金属为边长为10um的正四边形块。为适应吸波片的大小并保证在一定的面积内设置尽可能多的吸波片从而增强石墨烯吸波器的吸波效果，因此在该频段每个吸波单元的底层金属选用边长为10um的正四边形块为宜，当需要吸收低频些的电磁波时候，可以扩大该边长，反之减小。一种带宽及吸收频段可调的石墨烯吸波器的吸波调节方法，此处的带宽及吸收频段可调的石墨烯吸波器为上述结构的带宽及吸收频段可调的石墨烯吸波器，本方法包括如下步骤：获取需要吸收的电磁波的频段信息；调用与所述频段信息相匹配的电压控制方案；控制所述独立电源按照所述电压配置方案向所述吸收单元施加电压。不同的吸波频段有不同的电压控制方案，电压控制方案可存储在专用的存储器中，当知道需要吸收的电磁波的频段信息后，可以调用与此频段信息相匹配的电压控制方案，并以此电压控制方案控制独立电源向吸波单元施加电压，从而使本专利技术公开的带宽及吸收频段可调的石墨烯吸波器可以满足不同频段的吸波要求，上述步骤可以通过程序自动控制，从而通过数字调控电压的输出电压就可以自动达到目的。优选地，所述电压控制方案的生成方法包括：控制所述独立电源向所述吸波单元上不同的吸波片的石墨烯层与底层金属间施加不同的电压；记录所述独立电源施加所述电压时所述带宽及吸收频段可调的石墨烯吸波器的吸波频段；基于所述吸波频段及与之匹配的所述电压生成所述电压控制方案。每个吸波单元有四个吸波片，每个吸波片的石墨烯层均与底层金属都通过一个独立电源连接，控制独立电源向吸波单元上不同的吸波片的石墨烯层与底层金属间施加不同的电压，即，一个吸波单元上四个吸波片的石墨烯层上的电压相同或不同，但是不同的吸波单元上位置相同的吸波片的石墨烯层的电压是相同的。不同的电压施加情况，带宽及吸收频段可调的石墨烯吸波器可吸收的电磁波的频段是不同的，根据此电压施加情况及吸收的电磁波的频段的情况生成吸收此频段的电磁波的电压控制方案。通过大量的实验可以得多不同吸收频段的电压控制方案，当需要吸收某个频段的电磁波时，只需要调用相应的电压控制方案对独立电源进行控制即可。附图说明为了使专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作进一步的详细描述，其中：图1为本专利技术公开的一种带宽及吸收频段可调的石墨烯吸波器的吸波单元的结构示意图；图2为本专利技术公开的一种带宽及吸收频段可调的石墨烯吸波器的吸波单元的剖面视图；图3为本专利技术公开一种带宽及吸收频段可调的石墨烯吸波器在电磁波垂直入射时反射波S11的强度情况示意图；图4为本专利技术公开一种带宽及吸收频段可调的石墨烯吸波器在电磁波垂直入射角度φ发生变化时反射波S11的强度情况示意图；图5为本专利技术公开一种带宽及吸收频段可调的石墨烯吸波器在电磁波入射角度θ变化时反射波S11的强度情况示意图；图6为本专利技术公开一种带宽及吸收频段可调的石墨烯吸波器在石墨烯层加不同偏置电压时吸收率曲线图。图中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种带宽及吸收频段可调的石墨烯吸波器，其特征在于，由M×N个吸波单元组成，M和N是自然数，M>2，N>2，每个所述吸波单元包括底层金属及2×2个吸波片，每个所述吸波片均贴附在所述底层金属上，每个所述吸波片从上到下依次由顶层金属、石墨烯层及电介质层贴附而成，每个所述吸波片的石墨烯层与底层金属分别通过一个独立电源连接。

【技术特征摘要】
1.一种带宽及吸收频段可调的石墨烯吸波器，其特征在于，由M×N个吸波单元组成，M和N是自然数，M>2，N>2，每个所述吸波单元包括底层金属及2×2个吸波片，每个所述吸波片均贴附在所述底层金属上，每个所述吸波片从上到下依次由顶层金属、石墨烯层及电介质层贴附而成，每个所述吸波片的石墨烯层与底层金属分别通过一个独立电源连接。2.如权利要求1所述的一种带宽及吸收频段可调的石墨烯吸波器，其特征在于，所述电介质层的相对介电常数为εr=2、相对磁导率为μr=1。3.如权利要求1所述的一种带宽及吸收频段可调的石墨烯吸波器，其特征在于，每个所述吸波单元上的所述吸波片的横截面积不同。4.如权利要求1所述的一种带宽及吸收频段可调的石墨烯吸波器，其特征在于，所述吸波片为正四边形块。5.如权利要求1所述的一种带宽及吸收频段可调的石墨烯吸波器，其特征在于，从所述吸波单元的左上角开始顺时针排列分别为第一吸波片、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电介质层厚度为0.46um，边长为2.3um，所述第一吸波片上的石墨烯层与底层金属间连接第一独立电源，所述第二吸波片的电介质层厚度为0.46um，边长为3.1um，所述第二吸波片上的石墨烯层与底层金属间连接第二独立电源，所述第三吸波片的电介质层厚度为0.46um，边长为1.9um，所述第三吸波片上的石墨烯层与...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊汉，董吉，曾瑞雪，李鲁超，欧照杰，唐明春，曾孝平，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50