[发明专利]一种透射/反射可切换且幅度可调的超构材料

说明书

本发明公开了一种透射/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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种透射/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。

本发明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λ₀/400tλ₀/20，λ₀为中心波长。其介电常数为ε_s，对应取值范围为2≤ε_s≤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。