石墨烯电磁特性动态调控理论与实验研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院重庆绿色智能技术研究院) | 被引量 : 0次 | 上传用户:xs0405010154
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动态电磁调控器件具有高集成度、高效率、体积小和功能多等优点,因此成为微波工程领域的研究热点。目前,通常利用二极管、微机电系统、超材料或场效应晶体管与微波器件结合以获得对介电常数、工作频率、带宽等参数的调制,而上述这些方法通常涉及到电压高、电子元器件过多、调制能力有限等问题。为了进一步提升微波器件性能,需要不断探索新材料、新结构和新原理在动态调控器件领域的应用。针对上述问题,提出利用石墨烯材料电学性能可调的性质,通过与离子液体结合的方法实现对其方块电阻的动态调控,设计和制备了频率选择表面、天线和Salisbury屏等动态调控器件,并揭示了材料与结构特性对动态调控能力影响规律。本文主要研究成果如下:(1)提出了可以进行电调制的石墨烯/离子液体/石墨烯电容结构,通过外加偏置电压改变石墨烯方块电阻,实现对电磁波行为的动态调控。首先,对石墨烯电容结构电磁性能及其影响因素进行分析,确定了基底材料、离子液体种类以及接触电极制备方法。进一步,通过建立石墨烯电容结构等效电路,建立动态调控理论体系。这为后续动态调控器件奠定了实验与理论基础。(2)在传统频率选择表面基础上,引入石墨烯电容结构,制备了两款动态调控器件:带通型频率选择表面和带阻型频率选择表面。带通型频率选择表面从上至下依次由金属单元、介质层和石墨烯电容结构三部分组成,通过电压调节,谐振频率处透射系数可从82%变为25%,调制幅度为69%。进一步制备了一款带阻型频率选择表面,该结构只由金属单元和石墨烯电容结构两部分组,通过电压调节,谐振频率处传输系数由10.11%上升到26.59%,调制幅度为61.9%。在动态调节过程中,12.1 GHz和15.2 GHz两个频点之间透射系数逐步上升,频点之外透射系数下降,石墨烯电容结构在整个调控过程中对传输参数具有削峰填谷的作用。(3)把石墨烯电容结构与金属贴片天线复合,通过外加电压改变石墨烯电导率,天线的辐射性能随之发生变化。当电压从0V加到2V时,工作频率变化范围为10.7 GHz~9.45 GHz,S11参数变化范围为-6.05 dB~-23.11 dB,该天线谐振频点的增益从4.18 dB变化到-1.56 dB。表明电压调控石墨烯电容结构相当于开关作用。(4)利用石墨烯电容结构代替传统Salisbury屏吸波结构阻抗层,通过外加电压调控整体系统输入阻抗,实现了吸波性能的动态调控。仿真分析了不同方块电阻、介质厚度和介质种类对电磁波吸收效率及谐振频率影响。根据结果制备了一款反射参数可调的Salisbury屏,测试结果表明,偏置电压为0.6V时,谐振频点反射率为-42.09 dB,此时反射系数最小,系统匹配程度最佳。最后建立动态可调S alisbury屏等效电路模型,理论推导了反射率与石墨烯方块电阻之间关系和介质材料种类、厚度与谐振频率的关系。本文的研究,为动态电磁调控器件提供了新的思路,在微波工程的多个应用领域具有很好的潜在应用价值。
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