[发明专利]基于单层石墨烯辅助超材料的宽带微波吸收器

说明书

本发明公开了一种基于单层石墨烯辅助超材料的宽带微波吸收器，属于微波器件技术领域。所设计的宽带超材料微波吸收器的结构从上到下依次是单层圆形方孔石墨烯层、FR4介质和金属底板，其中顶部的石墨烯层为圆形图案化的单层石墨烯。当石墨烯化学势为0.1eV时，本发明可在145％的超带宽(16～100GHz)范围内可实现90％以上良好的吸收，且吸收器整体的厚度可以小于1mm，满足5G集成封装系统的应用需求。本发明结构简单，具有宽带宽、偏振不敏感和宽入射角等优点，在电磁隐身、电磁干扰屏蔽、5G系统等领域具有广阔的实际前景。

技术领域

本发明涉及微波完美吸波结构领域，尤其涉及一种基于单层石墨烯辅助超材料的宽带微波吸收器。

背景技术

随着系统集成和应用需求的增加，越来越多的数字和模拟模块被嵌入到单个芯片中。设备高速、高集成、小尺寸的综合影响将导致集成包装系统内部恶劣的电磁环境，电磁兼容问题愈发严重。在过去的几十年里，研究人员提出了许多在不同场合使用的电磁干扰(EMI)屏蔽结构。目前的电磁屏蔽方法可以分为两种类型：反射型和吸收型。其中微波吸收器在实际应用中证明了巨大的价值，如实现电磁干扰保护、提高能量采集效率和提高检测灵敏度。超材料技术突破了基于输电线路模型设计的传统吸收器的1/4λ厚度极限，实现了具有相同吸收能力的更紧凑的结构尺寸设计，此外，超材料创新地引入磁损耗，充分利用功能材料优良的频率选择性吸收特性来吸收电磁波，实现电磁屏蔽。近年来，石墨烯作为一种良好的光电特性的新型二维材料得到了广泛的研究。与金属相比，当与入射电磁波相互作用时，石墨烯具有更出色的等离子体性能，因此在光电学领域具有许多潜在的应用。另外，可以通过掺杂调节化学势的方法或者侧端连接电压来连续调节石墨烯的表面电导率从而改变石墨烯的费米能级，进而实现目标吸收性能的调整。

发明内容

本发明为了克服现有技术不足，提供一种基于单层石墨烯辅助超材料的宽带微波吸收器，实现了厚度最小、工作频带较宽等优异性能，可应用于电磁隐身、电磁干扰屏蔽、5G系统等诸多领域。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于单层石墨烯辅助超材料的宽带微波吸收器，该吸收器由单元结构在平面上按阵列形式连续拼接而成；每个所述单元结构由不同的功能层叠加组成，从上到下依次是顶层石墨烯层、FR4介质层和金属衬底；所述顶层石墨烯层为图案化的圆形单层石墨烯，FR4介质层和金属衬底的任意位置横截面均为相同尺寸的正方形，所述的顶层石墨烯层贴附于FR4介质层上表面的中心，所述金属衬底贴附于FR4介质层的下表面。

作为优选，所述顶层石墨烯层的圆形图案中心带有方孔，圆半径为1.25mm，中心的方孔边长为0.7mm，方孔的偏转角度为45°。

作为优选，所述顶层石墨烯层通过外加电场、磁场或使用掺杂的方式改变费米能级。

作为优选，所述FR4介质层的材料为FR4，其厚度为0.4～1.2mm，相对介电常数为4.3，损耗切线为0.025。

作为优选，所述金属衬底的材料为金、银、铜、铁或铝，厚度为0.1～0.5μm，且厚度应大于电磁波的趋肤深度。

作为优选，所述单元结构的平面轮廓呈正方形，边长为2.5mm。

作为优选，所述单元结构按阵列形式连续拼接成长方形或者正方形。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

超材料吸收器的顶层采用连续的圆形或者圆形方孔型的单层石墨烯组成，结构简单，紧凑，完美对称，易于实现，还可以使吸收器具有极化不敏感特性；本发明提出的超材料吸收器，当石墨烯的化学势为0.1eV时，在微波范围超宽带(16～100GHz)范围可实现90％以上良好的吸收，这也是本发明设计的石墨烯辅助超材料微波吸收器的独特特点；当入射角增大时，仍能保持良好的吸收效果。同时，该吸收器的整体厚度可以低至约0.4mm，满足5G系统模块封装的应用需求。

附图说明