【技术实现步骤摘要】
一种宽频带下石墨烯电磁反射和透射特性的分析方法
本专利技术属于目标电磁反射和透射特性数值计算
，特别是一种宽频带下石墨烯电磁反射和透射特性的分析方法。
技术介绍
石墨烯是排列在蜂窝状点阵中的由碳原子构成的二维平面单层结构，其厚度仅为0.34nm，是目前世界上已知的最薄的材料。石墨烯作为一种新型的二维超材料，除了具备优异的电学性质、热学性质和光学性质外，还具有柔韧性强、硬度高、密度小、耐腐蚀性、易于加工等优点，研究发现石墨烯是目前现有的材料中性能最为良好的，因此石墨烯成为了科学界和工业界深入研究的热点之一。石墨烯作为一种新型的吸波材料，可以通过电调的方式达到吸收电磁波的效果。石墨烯和超表面的结合同样可以通过电调的方式达到预期的性能，基于石墨烯的超表面为新型可调石墨烯器件的研究设计开辟了新的方向。然而，针对石墨烯这种超薄电大尺寸的结构，传统的时域有限差分法为了精确模拟其电磁特性，会遇到差分网格过多的缺点。此外，现有的数值计算方法仅支持简单电导率模型下石墨烯的计算，难以描述石墨烯的宽频带色散特性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种运算时间短、内存需求小，且灵活性和有效性高的宽频带下石墨烯电磁反射和透射特性的分析方法。实现本专利技术目的技术解决方案为：一种宽频带下石墨烯电磁反射和透射特性的分析方法，包括以下步骤：步骤1、建立基于广义薄层传输条件的电磁波时域有限差分方程；步骤2、提取宽频带下石墨烯材料的电极化率张量和磁极化率张量；步骤3、采用复共轭极点留数对的方法，拟合宽频带下的电极化率张量和磁极化率张量；步骤4、将拟合的极化率张量与基于广义薄层传输条件...
【技术保护点】
1.一种宽频带下石墨烯电磁反射和透射特性的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、建立基于广义薄层传输条件的电磁波时域有限差分方程；步骤2、提取宽频带下石墨烯材料的电极化率张量和磁极化率张量；步骤3、采用复共轭极点留数对的方法，拟合宽频带下的电极化率张量和磁极化率张量；步骤4、将拟合的极化率张量与基于广义薄层传输条件的电磁波时域有限差分方法相结合，得到极化电流密度和极化磁流密度的更新方程以及石墨烯上电场强度和磁场强度的更新方程；步骤5、进行差分迭代，求解计算域内的电场强度与磁场强度，并使用离散傅里叶变换计算得到反射系数和透射系数。
【技术特征摘要】
1.一种宽频带下石墨烯电磁反射和透射特性的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、建立基于广义薄层传输条件的电磁波时域有限差分方程；步骤2、提取宽频带下石墨烯材料的电极化率张量和磁极化率张量；步骤3、采用复共轭极点留数对的方法，拟合宽频带下的电极化率张量和磁极化率张量；步骤4、将拟合的极化率张量与基于广义薄层传输条件的电磁波时域有限差分方法相结合，得到极化电流密度和极化磁流密度的更新方程以及石墨烯上电场强度和磁场强度的更新方程；步骤5、进行差分迭代，求解计算域内的电场强度与磁场强度，并使用离散傅里叶变换计算得到反射系数和透射系数。2.根据权利要求1所述的宽频带下石墨烯电磁反射和透射特性的分析方法，其特征在于，步骤1中所述的广义薄层传输条件，具体如下：其中，表示z轴上的单位向量，ΔH为石墨烯两侧磁场强度的差值，ΔE为石墨烯两侧电场强度的差值，ω为频率，P和M分别为极化电流密度和极化磁流密度，P||和Pz分别为极化电流密度的切向分量和法向分量，M||和Mz分别为极化磁流密度的切向分量和法向分量，为微分算符，表示在切向作微分计算，ε和μ分别为真空中的介电常数和磁导率；电极化密度和磁极化密度可以分别通过表面电极化率和磁极化率来描述：其中，表示电场激励的电极化率张量，表示磁场激励的电极化率张量，表示电场激励的磁极化率张量，表示磁场激励的磁极化率张量，Eav和Hav分别为石墨烯结构两侧电场强度的平均值和磁场强度的平均值。3.根据权利要求1或2所述的宽频带下石墨烯电磁反射和透射特性的分析方法，其特征在于，步骤1所述的建立基于广义薄层传输条件的电磁波时域有限差分方程，具体如下：设定石墨烯放置于平面z＝0上，石墨烯上法向电极化密度和磁极化密度为零，即Pz＝Mz＝0；将(2a)、(2b)代入(1a)和(1b)中，得：其中ΔHx和ΔHy分别为与石墨烯两侧磁场强度在x方向上与y方向上的差值，ΔEx和ΔEy分别为与石墨烯两侧电场强度在x方向上与y方向上的差值，Ex,av和Ey,av分别表示石墨烯两侧电场强度在x方向上和在y方向上的平均值，Hx,av和Hy,av分别表示石墨烯两侧磁场强度在x方向上和在y方向上的平均值，表示x极化的电场激励的电极化率在x方向上的分量，表示x极化的电场激励的电极化率在y方向上的分量，表示y极化的电场激励的电极化率在x方向上的分量，表示y极化的电场激励的电极化率在y方向上的分量，表示x极化的磁场激励的电极化率在x方向上的分量，表示x极化的磁场激励的电极化率在y方向上的分量，表示y极化的磁场激励的电极化率在x方向上的分量，表示y极化的磁场激励的电极化率在y方向上的分量，表示x极化的电场激励的磁极化率在x方向上的分量，表示x极化的电场激励的磁极化率在y方向上的分量，表示y极化的电场激励的磁极化率在x方向上的分量，表示y极化的电场激励的磁极化率在y方向上的分量，表示x极化的磁场激励的磁极化率在x方向上的分量，表示x极化的磁场激励的磁极化率在y方向上的分量，表示y极化的磁场激励的磁极化率在x方向上的分量，表示y极化的磁场激励的磁极化率在y方向上的分量；设定石墨烯结构为单各向异性，则有χem＝χme＝0；设定该石墨烯结构为单轴晶体，则有因此，该石墨烯结构具有互易性和非旋性，得到式(3a)和(3b)的时域形式为：其中Jx为沿x方向的极化电流密度，Jy为沿y方向的极化电流密度，Kx为沿x方向的极化磁流密度，Ky为沿y方向的极化磁流密度，Ex为沿x方向的电场强度，Ey为沿y方向的电场强度，Hx为沿x方向的磁场强度，Hy为沿y方向的磁场强度，表示对时间求偏导数，ε0和μ0分别为真空中的介电常数和磁导率；将式(4a)、(4b)、(4c)和(4d)代入安培定律和法拉第定律得：其中节点(i,j,p)表示位于(i·Δx,j·Δy,p·Δz)的YEE网格，Δx、Δy、Δz分别表示x轴方向、y轴方向和z轴方向上的空间步长，Δt表示时间步长，表示nΔt时刻节点(i,j,p)处电场强度在y轴方向上的分量，表示(n-1)Δt时刻节点(i,j,p)处电场强度在y轴方向上的分量，表示时刻节点(i,j,p)处磁场强度在x轴方向上的分量，表示时刻节点(i,j,p-1)处磁场强度在x轴方向上的分量，表示时刻节点(i,j,p)处磁场强度在z轴方向上的分量，表示时刻节点(i-1,j,p)处磁场强度在z轴方向上的分量，Jy(i,j,p)表示节点(i,j,p)处电流密度在y轴方向上的分量，表示nΔt时刻节点(i,j,p)处电场强度在x轴方向上的分量，表示(n-1)Δt时刻节点(i,j,p)处电场强度在x轴方向上的分量，表示时刻节点(i,j,p)处磁场强度在z轴方向上的分量，表示时刻节点(i,j-1,p)处磁场强度在z轴方向上的分量，表示时刻节点(i,j,p)处磁场强度在y轴方向上的分量，表示时刻节点(i,j,p-1)处磁场强度在y轴方向上的分量，Jx(i,j,p)表示节点(i,j,p)处电流密度在x轴方向上的分量，表示时刻节点(i,j,p)处磁场强度在y轴方向上的分量，表示时刻节点(i,j,p)处磁场强度在y轴方向上的分量，表示nΔt时刻节点(i,j,p)处电场强度在z轴方向上的分量，表示nΔt时刻节点(i-1,j,p)处电场强度在z轴方向上的分量，表示nΔt时刻节点(i,j,p)处电场强度在x轴方向上的分量，表示nΔt时刻节点(i,j,p-1)处电场强度在x轴方向上的分量，Ky(i,j,p)表示节点(i,j,p)处磁流密度在y轴方向上的分量，表示时刻节点(i,j,p)处磁场强度在x轴方向上的分量，表示时刻节点(i,j,p)处磁场强度在x轴方向上的分量，表示nΔt时刻节点(i,j,p)处电场强度在y轴方向上的分量，表示nΔt时刻节点(i,j,p-1)处电场强度在y轴方向上的分量，表示nΔt时刻节点(i,j,p)处电场强度在z轴方向上的分量，表示nΔt时刻节点(i,j-1,p)处电场强度在z轴方向上的分量，Kx(i,j,p)表示节点(i,j,p)处磁流密度在x轴方向上的分量。4.根据权利要求3所述的宽频带下石墨烯电磁反射和透射特性的分析方法，其特征在于，步骤2中所述的提取宽频带下石墨烯材料的电极化率张量和磁极化率张量，具体如下：根据广义薄层传输条件，石墨烯超材料的电磁极化率不随入射角度和极化方向的变化而改变，因此使用x极化和y极化的平面波照射石墨烯超材料来提取电磁极化率张量；通过式(1a)和(1b)，得到电磁极化率张量与平面波垂直入射求得的反射系...
【专利技术属性】
技术研发人员：李猛猛，周全恩，陈如山，李帅帅，周仕浩，胡燕萌，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32
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