基于石墨烯互补超表面的可调谐太赫兹吸波体

通过在石墨烯超表面设计周期性切条,实现了基于石墨烯互补超表面的可调谐太赫兹吸波体.通过改变外加电压来改变石墨烯的费米能级,吸波体实现频率可调谐特性.研究了石墨烯费米能级、结构尺寸对超材料吸波体吸收特性的影响,并利用多重反射理论研究了其物理机理并且证明了模拟方法的可行性.研究结果表明:当石墨烯费米能级取0.6 eV,基底厚度13μm,石墨烯上切条长宽分别为2.9μm,0.1μm时,吸波体在1.865 THz可以实现99.9%的完美吸收;石墨烯费米能级从0.4 eV增大到0.9 eV,吸波体共振频率从1.596 THz蓝移到2.168 THz,且伴随共振吸收率的改变,吸收率在0.6 eV时达到最大;通过改变费米能级实现的最大吸收率调制度达84.55%.     

基于石墨烯振幅可调的宽带类电磁诱导透明超材料设计

基于石墨烯的电控特性提出了一种由金属线谐振器和"H"型谐振器组成的宽带可调的类电磁诱导透明(类EIT)超材料结构.首先,利用CST Microwave Studio软件对该超材料结构的透射特性进行了仿真.该结构在1.05—1.46 THz内的透射窗由金属线谐振器的等离子谐振和"H"型谐振器的电感-电容谐振干涉相消引起,且暗模式谐振器的数量增多导致了透射窗带宽的增加.其次,仿真模拟了该结构在不同石墨烯费米能级下的透射特性.当石墨烯费米能级由0 eV逐渐增加到1.5 eV时,该结构透射窗在1.05—1.46 THz内的平均透射振幅由87%逐渐减少到25%,实现了宽带可调.同时,通过仿真模拟该结构在1.26 THz下的电场分布对其透射机理进行了分析,并实验制备了类EIT超材料结构样品,且利用太赫兹时域光谱对样品进行了透射性能测试,测试结果与仿真分析的趋势基本一致.     

石墨烯巴比涅互补结构的太赫兹波透射行为

利用CST电磁场仿真软件模拟设计了基于石墨烯巴比涅互补结构的太赫兹超材料,分别研究了互补层间距、石墨烯费米能级、互补层数对太赫兹波透射谱的影响.模拟结果表明:互补层之间的强烈耦合作用使得太赫兹波的透射得到显著增强;在间距较小时,共振频率随着间距增大而发生蓝移;在间距较大时,共振频率随着间距增大而发生红移,并且透射峰值强度大幅减弱;透射峰频率随着石墨烯费米能级减小而单调减小;增加耦合的互补层数,可使得透射频宽变宽.所设计结构可作为可调控的太赫兹带通滤波器使用.     

石墨烯和对称开口谐振环超材料中可调谐的双等离激元诱导透明现象（英文）

提出了由石墨烯和两对对称开口谐振环构成的等离激元诱导透明(PIT)超材料结构,该PIT超材料结构之间的耦合形式为暗-亮-暗模式.通过有限元方法模拟,观察到双PIT透明窗口,通过改变石墨烯的费米能级或者改变开口谐振环的几何参数来动态地调制PIT窗口.理论结果表明,当石墨烯与两对对称的开口谐振环之间的相互作用距离为0.5μm、石墨烯费米能级为1.5eV时,可得到最优的双透明窗口.双PIT效应在非线性器件、可调谐传感器、开关和慢光器件等方面有潜在的应用价值.     

石墨烯和对称开口谐振环超材料中可调谐的双等离激元诱导透明现象

提出了由石墨烯和两对对称开口谐振环构成的等离激元诱导透明(PIT)超材料结构,该PIT超材料结构之间的耦合形式为暗-亮-暗模式.通过有限元方法模拟,观察到双PIT透明窗口,通过改变石墨烯的费米能级或者改变开口谐振环的几何参数来动态地调制PIT窗口.理论结果表明,当石墨烯与两对对称的开口谐振环之间的相互作用距离为0.5 μm、石墨烯费米能级为1.5 eV时,可得到最优的双透明窗口.双PIT效应在非线性器件、可调谐传感器、开关和慢光器件等方面有潜在的应用价值.     

工字形太赫兹超材料吸波体的传感特性研究

利用超材料吸波体对材料参数的电磁响应, 可将其应用于传感. 本文设计了一种工字形单元结构的超材料吸波体, 基于频域算法对其在太赫兹频段的传感特性进行数值模拟, 研究了待测样品折射率、厚度及电介质隔层厚度对超材料吸波体传感器的频率灵敏度、振幅灵敏度及品质因数的影响. 研究结果表明:当待测样品厚度为40 μm时, 折射率频率灵敏度可达到153.17 GHz/RIU, 折射率振幅灵敏度可达到41.37%/RIU; 待测样品折射率一定时, 厚度频率灵敏度随其厚度的增大而线性减小; 随着待测样品厚度的增加, RFOM呈增大趋势, 但增大幅度在逐渐减小; TFOM随待测样品厚度的增加而减小.     

基于超材料与电阻型频率选择表面的薄型宽频带吸波体的设计

设计了三种类型吸波体, 分别为基于正方形金属贴片(square metal patch, SMP) 结构超材料吸波体、 电阻型频率选择表面(Resistance Frequency Selective Surface, RFSS) 吸波体和SMP与RFSS的复合结构吸波体. 采用FDTD算法分别对这三种类型吸波体的电磁波吸收特性进行数值模拟分析. 模拟得到的结果表明: 在整个2-30 GHz频率范围内, SMP吸波体, 通过几何参数的设计可以实现多频窄带强吸收; RFSS吸波体, 通过方块电阻的设计可以实现高频宽带强吸收, 但强吸收的带宽有限; SMP与RFSS的复合结构吸波体, 在3-25 GHz之间吸收率大于90%以上, 且宽频范围内与自由空间具有较好的阻抗匹配特性.     

双层螺旋环超表面复合吸波体等效电路模型及微波损耗机制

针对超材料吸波频带窄的问题,采用金属螺旋环超表面与碳纤维吸波材料相复合的方式,设计了宽频高性能复合吸波体.研究发现,在碳纤维吸波材料中引入双层螺旋环超表面能显著增强吸收峰值和吸波带宽,且适当增加螺旋环初始线长和吸收层厚度有利于提高复合吸波体的吸波性能, 9.2—18.0 GHz频段的反射损耗均优于–10 dB (带宽达8.8 GHz),吸收峰值达–14.4 dB.利用S参数计算得到螺旋环-碳纤维复合吸波体的等效电磁参数和特征阻抗呈现多频点谐振特性,通过构建双层螺旋环超表面等效电路模型,定量计算了复合吸波体的电磁谐振频点,发现由等效电路模型获得的谐振频点计算值与仿真值基本相符,说明该复合吸波体多频点电磁谐振是宽频电磁损耗的主要机制.     

一种基于3D打印技术的结构型宽频吸波超材料

设计了一种三层宽频吸波超材料,其表层和中间层为单元尺寸不同的周期阵列结构,底层为吸波平板结构,优化后的总厚度仅为4.7 mm,并采用三维(3D)打印技术成功制备了该吸波超材料.吸波体反射率测试结果表明,在电磁波垂直入射条件下,宽频吸收峰分别出现在5.3和14.1 GHz,两峰叠加使得其在4-18 GHz频率范围内反射损耗均小于-10 dB.采用S参数反演法计算了每一层的等效电磁参数,并利用多层结构反射率公式推导得出该模型的理论反射率,理论计算结果与实测结果基本一致.通过研究能量损耗、电场分布和磁场分布揭示了吸波机理,分析表明该吸波体的宽频吸收效果源于三层结构产生的吸收带宽叠加.本文提出的吸波超材料具有良好的宽频吸收效果,尤其在低频范围吸波性能较佳,结合3D打印快速成型技术,可获得结构精细的三层吸波超材料,具有重要的实际应用价值和广阔的应用前景.     

基于磁谐振器加载的宽频带超材料吸波体的设计

基于加载集总元件的磁谐振器设计了一种宽频带、极化不敏感和宽入射角的超材料吸波体.该吸波体的结构单元由加载集总元件的磁谐振器、介质基板和金属背板组成.仿真得到的加载集总元件和不加载集总元件情况下一维阵列结构吸波体的吸收率表明,相对于不加载集总元件的情况,加载集总元件的一维阵列结构吸波体能够实现宽频带吸波.仿真得到的集总电阻和集总电容取不同值时一维阵列结构吸波体的吸收率表明,集总电阻和集总电容都存在一个最佳值,此时吸波体的吸收率最高、吸收带宽最宽.仿真得到的基板有耗和无耗情况下一维阵列结构吸波体的吸收率表明, 关键词： 磁谐振器 集总元件 宽频带 超材料吸波体     

基于电阻膜的宽频带超材料吸波体的设计

基于电阻膜设计了一种宽频带、极化不敏感和宽入射角的超材料吸波体.该吸波体的结构单元由六边形环状电阻膜结构、介质基板和金属背板组成.仿真得到的反射率和吸收率表明,该吸波体在7.0-27.5 GHz之间对入射电磁波具有宽频带的强吸收,证实了电路谐振相对于电磁谐振易于实现宽带吸波.仿真得到的不同极化角和不同入射角下超材料吸波体的吸收率表明,该吸波体具有极化不敏感和宽入射角特性.仿真得到的基板和电阻膜对超材料吸波体吸收率的影响表明,电阻膜结构和金属背板之间形成的电容以及电阻膜结构的电阻都存在一个最佳值,此时电路谐 关键词： 电阻膜 电路谐振 宽频带 超材料吸波体     

基于一维随机硅光栅的石墨烯表面等离子体安德森局域

提出了一种中红外波段下探究表面等离子体在石墨烯与硅光栅混合结构中传输安德森局域的方法.在石墨烯片下设计一维随机硅光栅结构来实现石墨烯表面等离子体随机硅光栅.通过调节石墨烯的费米能级来改变由硅光栅的无序引起的石墨烯表面等离子体安德森局域的共振波长.当费米能级是0.6eV时,局域石墨烯表面等离子体在随机硅光栅结构中的场强强度比在周期性硅光栅结构中大70倍.该结构有望应用于可调集成滤波器,宽带调制器以及等离子体传感器等.     

基于石墨烯超材料表面等离子体激元共振的增强太赫兹调制（英文）

基于表面等离子体共振原理,采用石墨烯超材料设计了开口环结构,用于调制太赫兹波.增加石墨烯的费米能级,改变开口环的开口距离,叠加多层石墨烯以增强石墨烯超材料的共振强度,进而增强太赫兹波调制,调制频率范围包括低频段和高频段.由于石墨烯费米能级的可调谐性,单层结构在高低两个频段的调制深度分别为81%和68%,多层结构在高低两个频段的调制深度分别增加到93%和95%,为动态调制提供了可能.该设计为调制器、吸收体等太赫兹器件的设计提供了指导和借鉴.     

一种基于十字镂空结构的低频超材料吸波体的设计与制备

设计了一种十字镂空的超材料结构,与传统的铁磁吸波材料相结合,实现了低频吸收频带的扩宽.仿真结果显示,吸波体在2-4 GHz范围可以实现-10 dB以下的吸收,相比于没有加载超材料的情况,吸收带宽扩展了0.5 GHz.实验结果在2.5-5.1 GHz范围内也显示了相似的吸收曲线,低于-9 dB的吸收频带有0.48 GHz的扩宽,扩展了23%.不同结构的能量损耗密度分布表明,相比于无镂空的十字结构,镂空十字结构可以增加磁场能量损耗,加强单元结构之间的耦合,降低超材料对传统吸波材料性能的破坏.探索了传统铁磁吸波材料厚度的变化对吸波体吸收性能的影响,发现由超材料引入的附加峰位置不随着吸波材料厚度的改变而明显地移动.根据这个结果,进一步设计了由两种超材料叠加组合而成的吸波体,仿真结果和实验结果均显示,在降低了1.1 mm铁磁吸波材料层厚度的情况下,使低频吸收带宽又扩展了0.9 GHz.     

基于石墨烯超材料表面等离子体激元共振的增强太赫兹调制

基于表面等离子体共振原理,采用石墨烯超材料设计了开口环结构,用于调制太赫兹波.增加石墨烯的费米能级,改变开口环的开口距离,叠加多层石墨烯以增强石墨烯超材料的共振强度,进而增强太赫兹波调制,调制频率范围包括低频段和高频段.由于石墨烯费米能级的可调谐性,单层结构在高低两个频段的调制深度分别为81%和68%,多层结构在高低两个频段的调制深度分别增加到93%和95%,为动态调制提供了可能.该设计为调制器、吸收体等太赫兹器件的设计提供了指导和借鉴.     

有源器件混合集成的超薄超宽带可调雷达吸波体

结构型雷达吸波材料不仅可以有效吸收雷达波,还能同时承受载荷,在雷达隐身领域具有重要应用.基于超表面的结构型雷达吸波材料可以实现对雷达波近乎"完美"的吸收,且具有结构轻薄的特点,但其限制在于吸波带宽通常较窄,针对该问题,提出一种拓宽超表面吸波体工作带宽的新方法.该方法利用可重构的思想,通过在超表面中混合集成变容二极管和开关二极管,将吸波频率的连续可调与离散搬移有机结合,以此展宽吸波体的有效吸波带宽.基于该方法,设计了一款超宽带可调超表面吸波体,并深人分析了其吸波机理,通过开关二极管和变容二极管工作状态的调节与配合,在4.57—8.51 GHz内实现了高效可调吸波.实测结果验证了该吸波体的低雷达散射截面特性,证实了设计方法的有效性.所提出的宽带可调设计方法简单可行,还可以拓展应用到其他类型的宽带微波器件设计.     

基于电阻膜与分形频率选择表面的超薄宽频带超材料吸波体的设计

设计了一种基于一阶Minkowski分形双方环(Minkowski fractal double square loop, MFDSL)电谐振器结构与电阻膜复合的超薄、 宽频带、极化不敏感和宽入射角的超材料吸波体. 该吸波体的基本结构单元由MFDSL电谐振器结构、方块电阻膜、电介质基板和金属背板组成. 采用时域有限差分算法对这种复合结构吸波体的电磁波吸收特性进行数值模拟分析. 模拟得到的反射率和吸收率表明: 该吸波体在7.5-42 GHz之间对入射电磁波具有大于90%以上的强吸收特性. 模拟得到的不同极化角和不同入射角下的吸收率表明: 该吸波体具有极化不敏感和宽入射角特性. 进一步的数值模拟结果表明, 该复合结构吸波体对电磁波的吸收主要是基于电磁谐振和电路谐振机制, 通过方块电阻的设计可以实现工作频率范围的调节. 关键词： 电阻膜 分形频率选择表面 宽频带吸收     

一种宽频带超材料吸波体的设计及其特性

为了获得吸收率高、吸波带宽宽的超材料,设计了一种谐振超材料吸波体.该吸波体由多个开口圆环组成,采用商业软件CST Studio Suite 2009频域求解器计算了其在25～35 GHz波段内的S参量,并计算了其吸波率A(ω),在28.4 GHz处吸收率达到86％,带宽达到3.5 GHz.利用不同吸波频段的叠加效应,设计了一种谐振超材料吸波组合体,计算了在25～35 GHz波段的S参量,在29.7 GHz处吸波率达99.9％,吸波带宽达到3.1 GHz,吸收率明显增加.将GHz波段的结构缩小1 000倍,在THz波段同样可以达到高吸收,说明超材料吸波体可以通过对结构尺寸调节改变吸收波段.同时,对其阵列进行仿真计算,发现不同的排列方式仿真结果不同.由于各个谐振环之间的相互作用对吸收效果影响较大,吸收率减小.该吸波材料由金属组成,能灵活地对介电常量和磁导率进行调节,从而实现高吸收.     

基于电磁谐振的极化无关透射吸收超材料吸波体

仿真并实验验证了基于电磁谐振的极化无关透射吸收超材料吸波体, 该吸波体可以实现低频透射和高频吸收.实验测试结果表明, 该吸波体在6.77 GHz 吸收率峰值为83.6%, 半功率带宽为4.3%, 实现窄带强吸收.为进一步拓展该谐振型超材料吸波体的吸收带宽, 利用其低频透射特性, 将两个工作于不同频段的吸波体叠加在一起, 测试结果表明, 复合后超材料吸波体的半功率带宽可以增大到10.9%, 吸收率也略有增强. 该超材料吸波体设计简单, 具有较强的实用性和应用前景. 关键词： 极化无关 透射吸收 超材料吸波体     

基于石墨烯超材料深度可调的调制器

目前人们已经实现了很高的调制深度,但是缺少对如何实现调制深度可调的研究,不利于实现波整形。利用石墨烯的电调谐性以及石墨烯超材料的表面等离激元(SPP)共振特性,设计了一种能够在某一频率实现调制深度可调的调制器,且调制深度为极大值,便于取样及检测,并运用谐振子模型对透射规律进行了理论分析。基于三维电磁场仿真软件时域求解器仿真,得到了对应频率为11.85THz的一系列的调制深度,其中最大调制深度可达到96%以上。这一系列的调制深度可以通过电压调节石墨烯的费米能级来进行调制转换,将极大地促进调制器在波整形中的应用,如生成正弦波、三角波及方波等。此外,这种结构可以实现类电磁感应透明(EIT)现象,不仅能够实现透射峰的频移和展宽,而且可以使展宽前后的中心频率保持一致。