基于石墨烯的微波毫米波吸波技术研究

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由于日益严重的辐射污染,在军事领域和日常生活中对微波毫米波吸波技术越来越重视。传统的吸波器结构一旦制作完成,就只能工作在固定的频率或有限的频率范围内,很难实现频率的可调谐,这也限制了实际生活中吸波器的应用范围。而石墨烯具有电导率可调特性,即石墨烯的电导率可以通过化学掺杂、外加偏置电场或偏置磁场的方式来控制。这一特性使石墨烯在可调吸波应用方面具有重要研究前景。因此,本论文主要是通过仿真及理论分析角度,来研究微波毫米波波段石墨烯材料的电磁吸收性能。具体研究工作如下:1、首先对石墨烯的电磁特性展开了讨论,并给出了在只考虑电场偏置情况下微波毫米波频段的石墨烯电导率模型。根据石墨烯电导率的数学表达式,在MATLAB中仿真了其随化学势和频率之间的变化关系,以及石墨烯的等效表面阻抗和等效介电常数与电导率之间的关系。为后文研究提供必要的理论基础。2、提出一种工作在微波频段的基于单层石墨烯的吸波器结构。首先优化了该吸波器的结构参数,并讨论了石墨烯的化学势变化对吸波器吸收性能的影响。结果表明通过调整石墨烯化学势,可以实现吸收振幅可调的功能,并且在14.25GHz处实现了接近100%的完美吸收。仿真结果还表明,该吸波器具有良好的入射角及极化稳定性,并且从电流分布的角度阐述了该吸波器的电磁吸波和振幅可调的工作原理。最后提出一种简单的基于单层石墨烯的宽带吸波器,在13.6GHz~42.9GHz,吸收率均在90%以上。3、提出两种方法实现基于石墨烯的频率可调谐吸波器。一种方法是利用石墨烯的可调电磁特性,基于石墨烯与金属混合结构设计的吸波器实现了中心频率动态可调谐,化学势从0.1eV增大到0.5eV,吸收频率从14.25GHz偏移到7.62GHz,在大约7GHz范围内实现了频率可调;另一种方法是基于对单层石墨烯结构吸收特性的研究,利用多层石墨烯-介质层结构级联,实现了中心频率动态可调吸波器,当堆叠层数由1增加到3,吸收频率从17.94GHz偏移到5.16GHz,实现了大约12GHz的频率调谐范围。
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