一种基于相变材料和石墨烯的微波透射通带可调高透光光窗属于光学透明电磁屏蔽及微波通信领域。该高透光电磁屏蔽光窗由图案化石墨烯层、透明介质层和集成相变材料的频率选择表面层共同构成，集成相变材料的频率选择表面层和图案化石墨烯层分别平行放置于透明介质层的两侧。所述的集成相变材料的频率选择表面层是由栅网化孔径型频率选择表面、栅网化贴片型频率选择表面和微小相变材料贴片组成。本发明专利技术解决了现有的微波吸收技术难以同时实现高光学透明性、可调的透射通带和以吸收为主的带外抑制的问题，具有高透光、透射通带可调和带外抑制以吸收为主的特点。外抑制以吸收为主的特点。外抑制以吸收为主的特点。
【技术实现步骤摘要】
基于相变材料和石墨烯的微波透射通带可调高透光光窗
[0001]本专利技术属于光学透明电磁屏蔽及微波通信领域，特别涉及一种基于相变材料和石墨烯的微波透射通带可调高透光光窗。
技术介绍
[0002]近年来，电磁波与人们日常生活的联系愈发密切，随着广播、电视、雷达、卫星通讯和导航、无线定位技术、移动通信/手机、物联网等技术的快速发展，具有发射和接收电磁波功能的设备成数量级的增加。电磁波的应用波段不断展宽，电磁波强度不断增大，使得空间电磁环境日益复杂。电磁波的广泛应用在给人们生活带来便利的同时，包含对人体健康带来的危害和对电子设备造成电磁干扰从而产生系统失效等问题的副作用也越来越引起人们的重视。因此，实现对电磁干扰的有效屏蔽和对电磁波的调控将是未来电子设备发展中必须考虑的问题。
[0003]电磁屏蔽主要以电磁反射和电磁吸收两种方式实现，其中吸收型的电磁屏蔽方法因无电磁波反射回空间，是较为理想的电磁屏蔽方法，特别是在军事装备的雷达隐身方面，极具有应用价值。目前，电磁屏蔽的一个难点和热点问题是对光学透明元器件的屏蔽，如飞机/卫星/舰船/汽车的光窗、光学仪器光窗和显示面板、电磁隔离室和保密设施光窗、通讯设备的透明元件、手机触屏等。在这些领域中开发透明吸波材料和器件具有十分广阔的应用前景。
[0004]与传统的金属吸收剂相比，石墨烯具有优异的电子、光学、热、机械性能，已成为吸波材料的研究热点，其中基于石墨烯的吸波材料可以分为透明和不透明两种类型。专利201721866639.3、201820091585.6、201721279384.0、201610480681.5、20162065416.2、201610361365.6均描述了不透明的石墨烯吸波材料，由于石墨烯的相对介电常数实部在太赫兹波段为负，因此在太赫兹波段中石墨烯表现出金属的性质并支持表面等离子体激元，然而石墨烯在微波波段中表现出和在太赫兹波段中不同的性质，因此，此类石墨烯吸波材料只适用于太赫兹波段而不适用于微波波段。其次，此类不透明的石墨烯吸波材料没有考虑光学透明性，因此无法应用于光学透明元器件上。专利CN103596413A公开了一种用于微波和太赫兹频率的宽带电磁辐射吸收的基于石墨烯的结构和方法；专利201510448956.2、201510449179.3、201510449150.5、201510449163.2描述了一类由石墨烯和透明导电膜组成的以吸收为主的透明电磁屏蔽器件，这类以吸收为主的透明电磁屏蔽器件利用了射频辐射多次穿过石墨烯层被强吸收而可见光仅透过层叠结构一次的特性来同时实现高透明度和强微波吸收。以上所有基于石墨烯的吸波器都存在吸收带宽和吸收频率固定的问题，无法在不重建几何结构的前提下改变其吸收频率或吸收幅值。
[0005]在透明吸波领域，除了基于石墨烯的透明吸波器之外，也可利用放置在透明介质两端的图案化ITO薄膜和高反射ITO膜实现透明吸收，例如专利201820695006.9、201810537235.2、201710989070.8、201710269626.6、201610721042.3、201610408829.4等。但是基于ITO的透明吸波材料难以实现宽波段高透光率，无法满足某些对透明度要求高的
场合，且同样存在无法在不重建几何结构的前提下改变其吸收频率或吸收幅值的问题。
[0006]专利JP2001111291A公开了一种由透明吸收膜、透明薄板和透明反射膜组成的透明电波吸收体，可以同时实现透明性和吸收。然而该专利技术要求透明薄板的厚度为1/4波长，使得该专利技术在很多实际应用场合中并不适用，尤其在低频环境下。同时波长与频率相对应，一旦器件制作完成，无法在不改变厚度的前提下，改变吸收的中心频率。
[0007]不同的电子设备或不同的应用场合都具有特定的电磁频率/频段，对于某个设备有用的频段，可能会成为另外一个设备的电磁干扰。因而对于特定的设备，人们总是希望很好地利用其工作频段，而有效地抑制其他频带。频率选择表面技术可以满足该应用的需求，其可以在某些频段中实现高效透过(孔径型)或者反射(贴片型)从而实现带通或者带阻等功能，并且已在微波雷达和天线等领域成功应用。然而，传统频率选择表面主要由金属或导电材料制成，以孔径型为例，其抑制机理以反射为主而不是吸收，不利于电磁干扰的彻底消除，且光学透明性不理想，不适用于透明光学元器件。另一方面，频率选择表面一经制备，其频率选择特性固定，很难对其“关闭”或者调节，这也限制了其应用的灵活性。
[0008]专利201710251465.8和201510791900.7皆为基于频率选择表面(Frequency Selective Surface，FSS)的吸波材料，且利用FSS的频率选择特性实现了吸收传输一体化的设计。虽然其抑制机理以吸收为主，但是两个专利皆不具有良好的光学透明性，且其工作频段固定。
[0009]专利201310385579.3和201310385579.9均提到了一类金属网栅上的十字孔型周期阵列结构，所述的金属网栅为圆孔型金属网栅、六边形金属网栅或方格形金属网栅，首次将十字孔径型FSS光学透明化，但是，这两个专利对需要光学透明化的FSS有一定的约束条件，即只能针对十字孔径型频选，并且所述的十字孔径型的周期、缝宽、缝长必须为金属网栅周期的整数倍，其后，专利201510262958.2和201510262957.8提出了将裂痕网栅应用于周期开孔结构。
[0010]现有技术中，上述金属网栅FSS受限制于网栅和FSS的种类，不同类型的金属网栅与不同类型的FSS组合的有效性尚不确定，且未经过优化设计的金属网栅FSS可能存在选频特性不佳问题；另外，若金属网栅FSS选择用方形、圆形或者六边形等简单金属网栅，会造成高级次衍射能量分布集中，影响光学系统的成像质量；若如专利201510262958.2和201510262957.8所示采用裂痕网栅，尽管高级次衍射能量分布有改善，但仍有裂痕网栅加工复杂、透光和电磁屏蔽能力不易控制等问题。上述金属网栅FSS都存在选频特性固定不能调节的问题。
[0011]专利201811062061.5、201810626249.1和201610220782.9中将PIN二极管与金属FSS相结合，利用偏置电压调节PIN二极管的状态以实现可调吸收，但金属固有的不透明性以及PIN二极管等可调器件的不透明性导致整体光学透明性不佳。专利201210570546.1描述了一种由双层FSS、包括聚合物与固态电介质的混合物夹层、导线、电源线和开关组成的具有开关功能的空间滤波器，可以实现良好滤波功能和电磁屏蔽特性的切换，但其电控制装置复杂，且双层FSS和中间的混合物夹层均不透光，因此无法应用于透明领域。
[0012]专利201710899625.X“基于石墨烯和频率选择表面的超薄电磁吸波表面”描述了一种由电解液石墨烯三明治层、金属频率选择表面、金属背板组成的复合结构，实现一种可动态调控的反射表面，可以在外加电压的作用下动态调控该装置的“吸波”和“反射”两种工<本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.基于相变材料和石墨烯的微波透射通带可调高透光光窗，其特征在于：所述光窗包括图案化石墨烯层(3)、透明介质层(5)和集成相变材料的频率选择表面层(7)；所述图案化石墨烯层(3)和集成相变材料的频率选择表面层(7)平行放置于透明介质层(5)的两侧；所述的图案化石墨烯层(3)是指通过在单层石墨烯上设置按照二维阵列周期排布的孔径单元将单层石墨烯图案化；所述的集成相变材料的频率选择表面层(7)是由栅网化孔径型频率选择表面(71)、栅网化贴片型频率选择表面(72)和相变材料贴片(73)组成，栅网化孔径型频率选择表面(71)和栅网化贴片型频率选择表面(72)的阵列单元周期相同且金属覆盖部分无重合处；若集成相变材料的频率选择表面层(7)的阵列单元内仅包含一片栅网化贴片型频率选择表面(72)，则至少1片相变材料贴片(73)将栅网化孔径型频率选择表面(71)和栅网化贴片型频率选择表面(72)连接；若集成相变材料的频率选择表面层(7)阵列单元内包含多个栅网化贴片型频率选择表面(72)，则每个栅网化贴片型频率选择表面(72)至少与栅网化孔径型频率选择表面(71)通过1片相变材料贴片(73)直接连接，或至少与其它一个栅网化贴片型频率选择表面(72)通过至少1片相变材料贴片(73)连接并间接连接到栅网化孔径型频率选择表面(71)，且相变材料贴片(73)在连接处宽度大于150nm，确保在相变材料为金属态时，所有栅网化贴片型频率选择表面(72)和栅网化孔径型频率选择表面(71)互相连通；集成相变材料的频率选择表面层(7)中相变材料的面积比t小于0.04；所述的孔径型频率选择表面是指在金属薄膜上由孔径单元按照二维阵列周期排布构成；所述贴片型频率选择表面是指在衬底表面上由金属贴片单元按照二维阵列周期排布构成；所述相变材料是指可在外部激励驱动下实现绝缘态到金属态可逆变化的材料；所述集成相变材料的频率选择表面层(7)中相变材料的面积比t是指在一个集成相变材料的频率选择表面层(7)的阵列单元内，相变材料贴片(73)的总面积与阵列单元面积的比值；所述栅网化是指在保持频率选择表面金属部分边缘形状特征的前提下，其内部金属用金属网栅代替，边缘部分保留...
【专利技术属性】
技术研发人员：陆振刚，张怡蕾，谭久彬，王赫岩，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。