一种基于石墨烯超表面的反射式隐身方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及雷达探测隐身技术领域，特别是一种基于石墨烯超表面的反射式隐身方法及装置，该装置包括下层的金属基底层、中层的电介质层和上层的石墨烯层，石墨烯层刻蚀有M行×N列的矩形孔，通过在石墨烯层设置相应的矩形孔，且矩形孔的几何尺寸满足行相同，每一列内的矩形孔的几何尺寸与矩形孔中心距水平地面的高度配合设置，利用超表面结构中不同尺寸石墨烯矩形孔的表面等离激元共振来调制反射波相位的空间分布，实现对反射波波前的重建，达到伪装隐形的效果，适用的工作带宽较宽、入射角域较大，且性能可调谐，具有较好的隐形效果。

A Reflective Stealth Method and Device Based on Graphene Supersurface

【技术实现步骤摘要】
一种基于石墨烯超表面的反射式隐身方法及装置
本专利技术涉及雷达探测隐身
，特别是一种基于石墨烯超表面的反射式隐身方法及装置。
技术介绍
隐身在军事领域尤为重要，随着科技的发展，整形、雷达吸波材料、有源与无源阻抗加载等传统隐身技术已不能满足需求。超材料(metamaterials)是一类由亚波长单元结构周期或非周期排列而成的人工复合材料或结构，具备自然材料所不具备的超常物理特性。人们可以在不违背物理学基本规律的前提下，通过对超材料关键物理尺寸进行有序结构设计，实现与常规材料截然不同的折射率，突破传统材料资源瓶颈，灵活调控电磁波。超材料的提出使人们对未来隐身材料的研究从单纯的吸波研究，扩展到控制电磁波的传播路径(绕射)来实现隐身，为探索新型隐身材料或技术提供了新的思路。超表面是超材料的二维形式，它既保留了超材料的奇异特性，又克服了三维超材料损耗高、加工难、不易集成等困难。相比三维超材料，利用超表面实现的隐身衣，在设计过程不涉及复杂的材料参数，具有质量轻、厚度小、易加工、易共形等优势。目前提出的超表面隐身设计普遍具有工作带宽窄，入射角域狭小，依赖入射波的极化方向、不易调谐等限制，远不能满足现代对宽波带(多波带)、宽角域、全极化隐身技术的需求。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于石墨烯超表面的反射式隐身方法及装置，用以解决现有超表面隐身设计工作带宽窄、入射角域狭小、性能不易调谐导致隐身效果较差的问题。为了实现上述目的，本专利技术提供一种基于石墨烯超表面的反射式隐身装置，包括下层的金属基底层、中层的电介质层和上层的石墨烯层，石墨烯层刻蚀有M行×N列的矩形孔，每两个相邻矩形孔的几何中心之间的距离均相等；其中，M行中任一行内的矩形孔的几何尺寸相同；N列中任一列的矩形孔的几何尺寸与根据矩形孔的几何中心与被覆盖物所在水平地面之间的高度确定的反射相位补偿量相关。有益效果是，通过在石墨烯层设置相应的矩形孔，且矩形孔的几何尺寸满足行相同，每一列内的矩形孔的几何尺寸与矩形孔中心距水平地面的高度配合设置，利用超表面结构中不同尺寸石墨烯矩形孔的表面等离激元共振来调制反射波相位的空间分布，实现对反射波波前的重建，达到伪装隐形的效果，适用的工作带宽较宽、入射角域较大，且性能可调谐，具有较好的隐形效果。进一步地，反射相位补偿量的计算公式如下：式中k0＝2π/λ，k0表示波数，hi＝(i-1/2)psinβ，hi表示从被覆盖物所处水平地面向上，任一列内第i(i＝1,2,3…M)行矩形孔的几何中心与被覆盖物所在水平地面之间的高度，β表示隐身装置与被覆盖物所在水平地面的夹角，p表示两个相邻矩形孔的几何中心之间的距离。进一步地，为了得到更好的隐身效果，上层的石墨烯层中石墨烯的费米能为0.6～1.0eV。进一步地，为了增强石墨烯层石墨烯矩形孔结构的等离子体共振，中层的电介质层的厚度值的取值范围为3λn/16～5λn/16，λn为入射波在电介质中的波长。本专利技术提供一种基于石墨烯超表面的反射式隐身方法，包括以下步骤：1)在被覆盖物的表面布设金属基底层、电介质层和石墨烯层，其中金属基底层为下层，电介质层为中层，石墨烯层为上层；2)在石墨烯层上刻蚀出M行×N列的矩形孔，每两个相邻矩形孔的几何中心之间的距离均相等；其中，M行中任一行内的矩形孔的几何尺寸相同；N列中任一列的矩形孔的几何尺寸与根据矩形孔的几何中心与被覆盖物所在水平地面之间的高度确定的反射相位补偿量相关。进一步地，该方法中反射相位补偿量的计算公式如下：式中k0＝2π/λ，k0表示波数，hi＝(i-1/2)psinβ，hi表示从被覆盖物所处水平地面向上，任一列内第i(i＝1,2,3…M)行矩形孔的几何中心与被覆盖物所在水平地面之间的高度，β表示隐身装置与被覆盖物所在水平地面的夹角，p表示两个相邻矩形孔的几何中心之间的距离。进一步地，为了得到更好的隐身效果，该方法中上层的石墨烯层中石墨烯的费米能为0.6～1.0eV。进一步地，为了增强石墨烯层石墨烯矩形孔结构的等离子体共振，该方法的中层的电介质层的厚度值的取值范围为3λn/16～5λn/16，λn为入射波在电介质中的波长。附图说明图1是石墨烯超表面的结构单元斜视图；图2是石墨烯超表面的结构单元正侧面图；图3是石墨烯超表面的结构单元俯视图；图4是基于石墨烯超表面构建的三角棱形凸起隐身地毯结构的斜视图；图5是基于石墨烯超表面构建的三角棱形凸起隐身地毯结构的侧面图；图6是超表面结构单元反射相位与石墨烯矩形孔几何结构尺寸的对应关系图；图7是超表面结构单元反射波强度与石墨烯矩形孔几何结构尺寸的对应关系图；图8是f0＝2.8THz的太赫兹波垂直入射至斜面倾角β＝14.6°的裸露三角棱形凸起金属斜面上时，x-z平面的反射场电场强度分布图；图9是f0＝2.8THz的太赫兹波垂直入射至斜面倾角β＝14.6°的裸露三角棱形凸起金属斜面上时，反射波的三维远场辐射方向图；图10是f0＝2.8THz的太赫兹波垂直入射至被费米能Ef＝0.7eV的石墨烯超表面隐身地毯覆盖的，斜面倾角β＝14.6°的三角棱形凸起物时，x-z平面的反射场电场强度分布图；图11是f0＝2.8THz的太赫兹波垂直入射至被费米能Ef＝0.7eV的石墨烯超表面隐身地毯覆盖的，斜面倾角β＝14.6°的三角棱形凸起物时，反射波的三维远场辐射方向图；图12是不同频率太赫兹波垂直入射至被费米能Ef＝0.7eV的石墨烯超表面隐身地毯覆盖的，斜面倾角β＝14.6°的三角棱形凸起物时，反射波的二维远场辐射方向图；图13是f0＝2.8THz的太赫兹波以相对水平地面θ＝20°的入射角倾斜入射至被Ef＝0.7eV的石墨烯超表面隐身地毯覆盖的，斜面倾角β＝14.6°的三角棱形凸起时，x-z平面的反射场电场强度分布图；图14是f0＝3.0THz的太赫兹波垂直入射至被Ef＝0.9eV的石墨烯超表面隐身地毯覆盖的，斜面倾角β＝14.6°的三角棱形凸起时，x-z平面的反射场电场强度分布图；图15是f0＝3.0THz的太赫兹波以相对水平地面θ＝20°的入射角倾斜入射至被Ef＝0.9eV的石墨烯超表面隐身地毯覆盖的，斜面倾角β＝14.6°的三角棱形凸起时，x-z平面的反射场电场强度分布图；图16是f0＝2.8THz的太赫兹波垂直入射至被Ef＝0.7eV的石墨烯超表面隐身地毯覆盖的，斜面倾角β＝24.6°三角棱形凸起时，x-z平面的反射场电场强度分布图；图17是f0＝2.8THz太赫兹波垂直入射至被Ef＝0.7eV的石墨烯超表面隐身地毯覆盖的，斜面倾角β＝14.6°四棱柱形凸起时，x-z平面的反射场电场强度分布图；图中，1为石墨烯层，2为电介质层，3为金属基底层。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步详细的说明。装置实施例：本专利技术提供一种基于石墨烯超表面的反射式隐身装置，如图1、图2、图3、图4和图5所示，包括上层的石墨烯层1、中层的电介质层2和下层的金属基底层3，石墨烯层刻蚀有M行×N列的矩形孔，每两个相邻矩形孔的几何中心之间的距离均相等；石墨烯矩形孔的几何尺寸表示为a和b，电介质层的厚度为t。太赫兹平面波垂直向下入射，偏振方向与石墨烯矩形孔尺寸为a的边平行，石墨烯层反射部分入射的太赫兹平面波，金属基底层充当全反射镜面。其中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于石墨烯超表面的反射式隐身装置，其特征在于，包括下层的金属基底层、中层的电介质层和上层的石墨烯层，石墨烯层刻蚀有M行×N列的矩形孔，每两个相邻矩形孔的几何中心之间的距离均相等；其中，M行中任一行内的矩形孔的几何尺寸相同；N列中任一列的矩形孔的几何尺寸与根据矩形孔的几何中心与被覆盖物所在水平地面之间的高度确定的反射相位补偿量相关。

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯超表面的反射式隐身装置，其特征在于，包括下层的金属基底层、中层的电介质层和上层的石墨烯层，石墨烯层刻蚀有M行×N列的矩形孔，每两个相邻矩形孔的几何中心之间的距离均相等；其中，M行中任一行内的矩形孔的几何尺寸相同；N列中任一列的矩形孔的几何尺寸与根据矩形孔的几何中心与被覆盖物所在水平地面之间的高度确定的反射相位补偿量相关。2.根据权利要求1所述的基于石墨烯超表面的反射式隐身装置，其特征在于，反射相位补偿量的计算公式如下：式中k0＝2π/λ，k0表示波数，hi＝(i-1/2)psinβ，hi表示从被覆盖物所处水平地面向上，任一列内第i(i＝1,2,3…M)行矩形孔的几何中心与被覆盖物所在水平地面之间的高度，β表示隐身装置与被覆盖物所在水平地面的夹角，p表示两个相邻矩形孔的几何中心之间的距离。3.根据权利要求1所述的基于石墨烯超表面的反射式隐身装置，其特征在于，上层的石墨烯层中石墨烯的费米能为0.6～1.0eV。4.根据权利要求1所述的基于石墨烯超表面的反射式隐身装置，其特征在于，中层的电介质层的厚度值的取值范围为3λn/16～5λn/16，λn为入射波在电介质中的波长。5.一种基于石墨烯超表面的反射式隐身方...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁佩，吕闯，田喜敏，李艳，邵立，曾凡光，
申请(专利权)人：郑州航空工业管理学院，
类型：发明
国别省市：河南,41