[发明专利]一种宽频带下石墨烯电磁反射和透射特性的分析方法

说明书

本发明公开了一种宽频带下石墨烯电磁反射和透射特性的分析方法。该方法为：首先建立基于广义薄层传输条件的电磁波时域有限差分方程；然后提取宽频带下石墨烯材料的电极化率张量和磁极化率张量，采用复共轭极点留数对的方法来拟合宽频带的电极化率张量和磁极化率张量；接着将拟合的极化率张量与基于广义薄层传输条件的电磁波时域有限差分方法相结合，得到极化电流密度和极化磁流密度的更新方程以及石墨烯上电场强度和磁场强度的更新方程；最后进行差分迭代，求解计算域内的电场强度与磁场强度，并使用离散傅里叶变换计算得到反射系数和透射系数。本发明方法节省了石墨烯电磁反射和透射特性的分析运算的时间和内存，具有较高的灵活性和有效性。

技术领域

本发明属于目标电磁反射和透射特性数值计算技术领域，特别是一种宽频带下石墨烯电磁反射和透射特性的分析方法。

背景技术

石墨烯是排列在蜂窝状点阵中的由碳原子构成的二维平面单层结构，其厚度仅为0.34nm，是目前世界上已知的最薄的材料。石墨烯作为一种新型的二维超材料，除了具备优异的电学性质、热学性质和光学性质外，还具有柔韧性强、硬度高、密度小、耐腐蚀性、易于加工等优点，研究发现石墨烯是目前现有的材料中性能最为良好的，因此石墨烯成为了科学界和工业界深入研究的热点之一。

石墨烯作为一种新型的吸波材料，可以通过电调的方式达到吸收电磁波的效果。石墨烯和超表面的结合同样可以通过电调的方式达到预期的性能，基于石墨烯的超表面为新型可调石墨烯器件的研究设计开辟了新的方向。然而，针对石墨烯这种超薄电大尺寸的结构，传统的时域有限差分法为了精确模拟其电磁特性，会遇到差分网格过多的缺点。此外，现有的数值计算方法仅支持简单电导率模型下石墨烯的计算，难以描述石墨烯的宽频带色散特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种运算时间短、内存需求小，且灵活性和有效性高的宽频带下石墨烯电磁反射和透射特性的分析方法。

实现本发明目的技术解决方案为：一种宽频带下石墨烯电磁反射和透射特性的分析方法，包括以下步骤：

步骤1、建立基于广义薄层传输条件的电磁波时域有限差分方程；

步骤2、提取宽频带下石墨烯材料的电极化率张量和磁极化率张量；

步骤3、采用复共轭极点留数对的方法，拟合宽频带下的电极化率张量和磁极化率张量；

步骤4、将拟合的极化率张量与基于广义薄层传输条件的电磁波时域有限差分方法相结合，得到极化电流密度和极化磁流密度的更新方程以及石墨烯上电场强度和磁场强度的更新方程；

步骤5、进行差分迭代，求解计算域内的电场强度与磁场强度，并使用离散傅里叶变换计算得到反射系数和透射系数。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)采用了电极化率张量和磁极化率张量来表征石墨烯材料，而避免了对石墨烯材料直接建模，在进行网格剖分时，相较于常规的时域有限差分方法，只需要较少的网格数，节省了更多的时间和内存；(2)采用复共轭极点留数对的方法拟合石墨烯材料的电极化率和磁极化率的色散项，能够很好地模拟宽频带下石墨烯材料的色散特性。

附图说明

图1为本发明宽频带下石墨烯电磁反射和透射特性的分析方法中分析石墨烯问题的示意图。

图2为本发明宽频带下石墨烯电磁反射和透射特性的分析方法的流程示意图。

图3为本发明中时域有限差分-广义薄层传输条件方法的流程示意图。

图4为本发明中周期边界条件下十字型石墨烯的结构示意图。

图5为本发明中分析周期边界条件下十字型石墨烯的结果的示意图，其中(a)为用复共轭极点留数对的方法拟合的宽带极化率示意图，(b)为用本发明方法与商业软件计算的反射系数的示意图。