一种透射/反射可切换且幅度可调的超构材料制造技术

本发明专利技术公开了一种透射/反射可切换且幅度可调的超构材料，该超构材料为层状结构，从下到上依次为：有源频率选择表面、微波介质层和石墨烯电容层。其中，有源频率选择表面由介质基板和印刷在介质基板两侧的周期金属微结构图案组成，金属微结构中加载了PIN二极管。微波介质层为微波段常用的透波材料，石墨烯电容层由高方阻薄膜层，浸润离子液的绝缘介质层和PET基底单层石墨烯层构成。本发明专利技术的优点在于：通过控制PIN二极管通断，可实现透射和反射模式的动态切换，进一步通过外置偏压调节石墨烯费米能级来改变其方阻，还可实现透射幅度和反射幅度的动态调谐。本发明专利技术中的超构材料具有全极化响应特性，集成了多种电磁调控功能，且结构简单、易于实现。

【技术实现步骤摘要】
一种透射/反射可切换且幅度可调的超构材料
本专利技术涉及超构材料天线罩领域，特别涉及一种透射/反射可切换且幅度可调的超构材料。
技术介绍
频率选择表面由于其优异的电磁性能被广泛用于天线罩、电磁吸收、电磁防护等领域。传统的频率选择表面多采用被动结构，一旦设计出来，其电磁特性固化，无法动态调控，已难以满足当前及未来装备窗口材料对电磁通信/探测和低散射特征的双重需求。因此有必要发展新型智能化电磁调控材料，同时实现高效透波和电磁低散射特性。超构材料的出现为构造智能化电磁窗口开辟了一条有效的途径。通过在微结构单元中引入有源器件或采用可调谐材料，可以动态调控其电磁响应，实现多种电磁功能的集成。目前主要有两种途径实现动态可控的超构材料，一种是在超构表面中加载集总元件，如PIN二极管、变容二极管等，通过改变集总元件的偏置电压来实现对电磁特性的动态调控。另一种途径就是采用可调谐材料，如液晶、石墨烯等。石墨烯是一种二维碳纳米材料，通过外置偏压调控其费米能级，可改变其表面阻抗，并能构造出动态可调谐吸收器。目前公开报道中的各类动态可调谐超构材料，往往侧重于单一电磁特性(频率、幅度、方向等)的动态调控，功能较为单一；即使已出现了一些多功能动态超构材料，但大多只能工作在单一极化状态下，无法满足复杂电磁环境的应用需求。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提出了一种透射/反射可切换且幅度可调的超构材料。该超构材料主要由有源频率选择表面和石墨烯电容层。通过控制PIN二极管的通断，可实现透射和反射模式的动态切换，进一步通过外置偏压调节石墨烯费米能级来改变其方阻，还可实现透射幅度和反射幅度的动态调谐。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案为：一种透射/反射可切换且幅度可调的超构材料，自下而上依次由有源频率选择表面、微波介质层和石墨烯电容层。其中，有源频率选择表面为由介质基板和印刷在介质基板两侧周期微结构金属图案组成，PIN二极管加载在两侧的周期微结构上。微波介质层为微波段常用的透波材料，石墨烯电容层由高方阻薄膜层，浸润离子液的绝缘介质层和PET基底单层石墨烯层构成。通过控制有源频率选择表面上PIN二极管的通断，可实现透射和反射模式的动态切换，进一步通过控制石墨烯电容层外置偏压调节石墨烯费米能级来改变其方阻，还可实现透射幅度和反射幅度的动态调谐。其中，所述的底层有源频率选择表面，其周期为P，对应取值范围为λ0/10≤P≤λ0/2，λ0为中心波长。分布在介质基板上下两侧的金属图案分别由一对“T”型金属贴片成90度放置，“T”型金属贴片的线宽为W，其取值范围为P/30≤W≤P/2，两“T”型金属贴片之间的缝隙为g，其取值范围为P/40≤g≤P/10。介质基板厚度为t，其取值范围为λ0/400<t<λ0/20，λ0为中心波长。其介电常数为εs，对应取值范围为2≤εs≤5。其中，微波介质层是低介电常数介质，介电常数小于4，厚度为h，其取值范围为λ0/20≤h≤λ0/2，λ0为中心波长，优选方案为聚甲基丙烯酰亚胺。其中，石墨烯电容层中的基底单层石墨烯层为转移到PET基底上的单层石墨烯，所述的绝缘介质为商用的CelgardPE隔膜，浸润液体为离子液体，优选为DEMETFSI。所述的高方阻薄膜层方阻大于PET基底单层石墨烯层方阻，其取值范围为3000Ω/sq～10000Ω/sq。本专利技术有益效果为：本专利技术提出的可调谐超构材料将石墨烯电容层与有源频率选择表面相结合，不仅能实现对透波和反射两种模式的动态切换，还能实现在两种模式下对透波幅度和反射幅度的动态调控。此外与现有技术相比，该专利技术提出的超构材料仅采用了极为少量的集总元器件数量，成本低、制作简单，并且还具有全极化电磁响应特性和角度稳定性，可满足复杂电磁环境下的应用需求。附图说明图1为本专利技术的结构示意图；图2为有源频率选择表面层结构示意图；图3为无石墨烯电容层时PIN二极管处于导通和断开下对应的S参数曲线：图4为PIN二极管处于导通和断开两种状态下的S参数曲线图5为在反射模式下的不同石墨烯方阻对应的S参数曲线：图6为在透射模式下的不同石墨烯方阻对应的S参数曲线。图中，1为有源频率选择表面，2为微波介质层，3为高方阻薄膜层，4为浸润离子液绝缘介质层，5为PET基底单层石墨烯层。具体实施方式下面结合附图及具体实施方式对本专利技术进行详细说明，但本专利技术的保护范围并不仅限于下面实施例，应包括权利要求书中的全部内容。而且本领域技术人员从以下的一个实施例即可实现权利要求中的全部内容。如图1所示，一种透射/反射可切换且幅度可调的超构材料，包括自下到上的有源频率选择表面1、微波介质层2和石墨烯电容层。石墨烯电容层由高方阻薄膜层3、浸润离子液的绝缘介质层4和PET基底单层石墨烯层5构成，其中高方阻薄膜层方阻大于基底单层石墨烯层方阻，其取值范围为3000Ω/sq～10000Ω/sq，浸润液体为离子液体，优选为DEMETFSI，绝缘介质为商用的CelgardPE隔膜。所述有源频率选择表面的介质基板厚度为t，其取值范围为λ0/400<t<λ0/20，λ0为中心波长，其介电常数为εs，对应取值范围为2≤εs≤5。微波介质层2是低介电常数介质(介电常数小于4)，厚度为h，其取值范围为λ0/20≤h≤λ0/2，λ0为中心波长，优选方案为聚甲基丙烯酰亚胺。如图2所示，有源频率选择表面的周期为P，对应取值范围为λ0/10≤P≤λ0/2，λ0为中心波长。分布在介质基板上下两侧的金属图案分别由一对“T”型金属贴片成90度放置，“T”型金属贴片的线宽为W，其取值范围为P/30≤W≤P/2，两“T”型金属贴片之间的缝隙为g，其取值范围为P/40≤g≤P/10。在电磁波正入射的情况下，通过控制PIN二极管的开断可实现透射与反射两种模式的切换；进一步调节石墨烯电容器的外置偏压来改变石墨烯费米能级(微波频段表现为石墨烯等效方阻的变化)，还能实现在两种工作模式下对透波和反射幅度的动态调控。下面结合具体实施例进行阐述。实施例1本专利技术设计了一种透射/反射可切换且幅度可调的超构材料。如图1所示，该结构包括自下而上的：有源频率选择表面1、微波介质层2、高方阻薄膜层3、浸润离子液绝缘介质层4以及PET基底单层石墨烯层5。如图2所示，所述的有源频率选择表面周期为P＝6mm，“T”型金属贴片的宽为w＝0.5mm，金属结构之间的缝隙为g＝0.3mm，选用的介质为F4B，厚度t＝0.254mm，其对应介电常数为2.65；所述的微波介质层采用聚甲基丙烯酰亚胺泡沫，厚度h＝10.2mm。绝缘介质为商用的CelgardPE隔膜，浸润液体为离子液为DEMETFSI；所述的高方阻薄膜方阻为5000Ω/sq。为阐明该超构材料的透射/反射的可切换且幅度可调特性，我们利用电磁仿真软件对该结构材料在电磁波正入射情况下的透波和反射系数进行了仿真。在仿真中，该超构材料的单元结构放置在XY平面内，边界分别平行本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种透射/反射可切换且幅度可调的超构材料，其特征在于：该超构材料为层状结构，从下到上依次为：有源频率选择表面、微波介质层和石墨烯电容层，其中，有源频率选择表面由介质基板和印刷在介质基板两侧的周期金属微结构图案组成，金属微结构中加载了PIN二极管，微波介质层为微波段常用的透波材料，石墨烯电容层由高方阻薄膜层，浸润离子液的绝缘介质层和PET基底单层石墨烯层构成，通过控制PIN二极管通断，可实现透射和反射模式的动态切换，进一步通过外置偏压调节石墨烯费米能级来改变其方阻，还可实现透射幅度和反射幅度的动态调谐。/n

【技术特征摘要】
1.一种透射/反射可切换且幅度可调的超构材料，其特征在于：该超构材料为层状结构，从下到上依次为：有源频率选择表面、微波介质层和石墨烯电容层，其中，有源频率选择表面由介质基板和印刷在介质基板两侧的周期金属微结构图案组成，金属微结构中加载了PIN二极管，微波介质层为微波段常用的透波材料，石墨烯电容层由高方阻薄膜层，浸润离子液的绝缘介质层和PET基底单层石墨烯层构成，通过控制PIN二极管通断，可实现透射和反射模式的动态切换，进一步通过外置偏压调节石墨烯费米能级来改变其方阻，还可实现透射幅度和反射幅度的动态调谐。


2.根据权利要求1所述的一种透射/反射可切换且幅度可调的超构材料，其特征在于：底层有源频率选择表面，其周期为P，对应取值范围为λ0/10≤P≤λ0/2，λ0为中心波长，分布在介质基板上下两侧的金属图案分别由一对“T”型金属贴片成90度放置，“T”型金属贴片的线宽为W，其取值范围为P/30≤...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗先刚，黄成，赵波，马晓亮，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51