基于石墨烯/频率选择表面复合结构的透明吸波方法研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:rentianyou123
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电子与无线通信技术的飞速发展使得空间电磁环境日益复杂,对电磁屏蔽提出了越来越高的要求,一些光电仪器设备中的显示屏与观察窗,需要具备高透光率和强电磁屏蔽效率的综合性能,对电磁屏蔽材料提出了更高的要求。现有的透明电磁屏蔽材料通常以反射机制为主,会造成二次反射使得空间电磁环境更加复杂,因此对于以吸收机制为主的透明电磁吸波材料需求迫切。  石墨烯为高透明电磁吸波材料的实现提供了一种可能途径。本文首先对石墨烯的电导率等基本电学参数进行详细分析,然后在此基础上研究了石墨烯在电磁仿真软件CST(ComputerSimulationTechnology)中的电磁模型建立方法,综合考虑求解速度、建模精度后确定使用二维阻抗平面对石墨烯进行建模。该模型对于常规方阻的单层石墨烯屏蔽效率分析所得与实际测量结果吻合,进而研究了不同方阻石墨烯传输特性与方阻的对应关系。对单层和双层石墨烯层叠结构的传输特性采用麦克斯韦方程组进行传输特性分析并通过CST仿真进行验证。仿真表明,双层石墨烯层叠结构的吸收率因干涉作用会被两层石墨烯间的介质厚度调制,最高吸收率达62.7%,不满足强屏蔽需求。  在上述工作基础上,提出了一种高透明的石墨烯/频率选择表面(FrequencySelectiveSurface,FSS)复合结构。对带阻型FSS求出其等效电抗模型,应用等效电路法进行传输特性分析,与CST仿真结果相比,两者谐振频率偏差小于1GHz,验证了分析方法的准确性。然后对FSS透光率与结构参数之间的关系进行分析,设计了透光率在98%左右且谐振频率不同的多个圆环与方环单元FSS。把石墨烯与FSS进行堆叠构成复合结构。仿真结果表明,该复合结构可以实现在所设计频率附近的高微波吸收率和光学波段的高透光性。  最后通过化学气相沉积法和紫外光刻法分别制备了石墨烯样件与FSS样件,构成了复合结构;实验结果表明,该复合结构可以实现良好的微波吸收特性,且其平均透光率高于91%。在25GHz时,复合结构吸收率可达98.56%,3dB带宽8GHz。所研制的石墨烯/FSS复合结构可以基本满足高透光和高电磁吸收的要求,在精密光电仪器设备的显示屏以及观察屏等光学窗领域有广泛的应用价值。
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