[发明专利]带宽及吸收频段可调的石墨烯吸波器及其吸波调节方法

说明书

技术领域

本发明涉及红外隐身技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明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，本发明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ε_r=2、相对磁导率为μ_r=1。

从材料库中选取的介质材料其相对介电常数为ε_r=2、相对磁导率为μ_r=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。