[发明专利]一种基于石墨烯的频率选择表面电磁波透射幅度调制器

说明书

本发明公开了一种基于石墨烯的频率选择表面电磁波透射幅度调制器，其包括由上而下依次层叠设置的频率选择表面、介质层和石墨烯三明治层，其中，所述石墨烯三明治层包括上层石墨烯薄膜层和下层石墨烯薄膜层，以及设置在所述上层石墨烯薄膜层和下层石墨烯薄膜层之间的离子液体层，且所述上层石墨烯薄膜层和所述下层石墨烯薄膜层上各自分别设置有接触电极，且所述上层石墨烯薄膜层和所述下层石墨烯薄膜层上的接触电极分别与电源的正极和负极相连。本发明通过将频率选择表面与石墨烯三明治结构相结合，不仅实现了对频率选择表面电磁性能的动态调控，同时降低了调控时的所需电压。

技术领域

本发明涉及目标微波电磁特征调控及雷达隐身技术领域，主要涉及电磁波空间滤波以及透射幅度的调控，具体是一种基于石墨烯的频率选择表面电磁波透射幅度调制器。

背景技术

频率选择表面是由一系列周期排列的金属结构单元构成，其形状多种多样，大致可以分为中心连接型、环形、实心型和复合单元结构。当入射电磁波频率为频率选择表面的谐振频率时，会呈现出全反射或全透射的传输特性，这种性质可使频率选择表面作为空间滤波器对入射电磁波进行调制。

目前，为了实现对电磁波的动态调控，科研人员通过机械、微机电系统、加载二极管和场效应管等方式实现对频率选择表面谐振频率的连续调控。然而，机械调控方法一般响应时间长，且机械装置复杂，不能应用于精密设备；电学调制方法通常所需元器件过多，且需要较高的电压。因此，现有的调控方式都不尽如人意。

而石墨烯是由单层碳原子以sp²杂化轨道组成的蜂窝状六边形晶格结构的材料，其电学性质可以通过外加电压或掺杂的方式进行调控，且这种调制方式结构简单、所需调制电压低，响应频段宽等优势，因此，可将频率选择表面结构与石墨烯结合起来，通过外加信号源调制石墨烯的电学性质，从而实现对入射电磁波的幅度的调制。

然而，目前基于石墨烯的电磁波幅度调制器件大多应用于太赫兹波段，而太赫兹波段在大气中的损耗很大，难以有效传播，因此调制效果较差，很难在实际器件中应用。例如，2017年Wu等，在Nanotechnology期刊(2017,28(9)：095201)发表了“Tunable terahertzreflection of graphene viaionic liquid gating”，其公开了采用双层石墨烯作为电极，中间加一层离子液体的结构，通过给两层石墨烯加电压来控制太赫兹电磁波的反射幅度。当外加电压从0V加到3V时，反射率从0.79％变化到33.4％，该结构实现了小电压对电磁波的调控作用。但其调控对象为“反射”和“吸收”，且其调控范围依然较小。2017年Balci等，在Applied Physics Letters期刊(2017,110(16):161102)发表了“Controlling phase ofmicrowaves with active graphene surfaces”，其同样公开了采用石墨烯加离子液的三明治结构，把石墨烯复合结构放置于厚度为四分之一波长的介质上，介质层下面放金属板。通过控制石墨烯两层的电压实现对入射电磁波的相位控制：当石墨烯的阻抗与空气阻抗匹配时，谐振频率处的相位改变了π。另外，申请号为CN2017CN201710523266.8的中国专利申请公开了一种基于石墨烯的人工超表面电磁波幅度调制器，以石墨烯薄膜代替集总单元，用一个直流电源对每行所有单元进行馈电，仿真了石墨烯方块电阻分别为50Ω/□和500Ω/□时的反射系数，其幅度可从26％变化到78％。

由上述可知，现有的基于石墨烯的电磁波幅度调制器件都是属于反射调控，并且需要金属底板与频率选择表面件的电磁耦合来实现选频，其调控效果及实用性很受影响。而随着目标微波特征调控以及隐身技术的发展，对结构简单、高调制能力、集成方便的频率选择表面调控器件的需求越来越迫切。因此，目前亟需一种基于石墨烯的新电磁波幅度调制器件。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明提供一种基于石墨烯的频率选择表面电磁波透射幅度调制器，其结构简单，且能够实现对频率选择表面电磁波透射幅度的动态调控。