基于石墨烯超材料的宽频带可调太赫兹吸波体

基于二维材料石墨烯,设计了一款宽频带可调谐超材料太赫兹吸波体。该吸波体由三层结构组成,顶层为石墨烯超材料,中间层为二氧化硅,底层为金属薄膜。仿真结果表明,当石墨烯的费米能级为0.7 eV时,该吸波体在1.11~2.61 THz频率范围内吸收率超过90%,相对吸收带宽为80.6%。当石墨烯的费米能级从0 eV增大到0.7 eV时,该吸波体器件的峰值吸收率可以从20.32%增大到98.56%。此外,该吸波体器件还具有极化不敏感和广角吸收的特性。因此,它在太赫兹波段的热成像、热探测、隐身技术等领域具有潜在的应用价值。     

基于石墨烯的网格型宽带可调谐太赫兹吸波器

该文提出了一种基于石墨烯的宽带可调谐吸波器,该器件是由网格型石墨烯结构、介质层及金属地板组成。采用CST软件对器件的性能进行了仿真分析,仿真结果显示,当石墨烯费米能级时,在2.97~3.74 THz内,器件对电磁波吸收率达90%。另一方面,器件的工作频率可通过改变石墨烯的费米能级进行动态调控。当石墨烯的费米能级从0.3 eV变到0.8 eV时,器件的工作频率在2.60~4.55 THz内调谐,相对调谐带宽为56%,且在整个调谐频率范围内,器件对电磁波的吸收率始终高于90%。此外,器件的工作性能对入射电磁波的偏振方向和入射角不敏感,因此,该器件在太赫兹成像、太赫兹检测和隐身技术等领域有潜在的应用价值。     

动态调控电磁隐身表面

电磁隐身表面在雷达通信与隐身领域具有重要的意义. 本文首先从带内透波/带外反射和带内透波/带外吸波隐身表面、带内透波/吸波和电磁感知隐身超表面四部分介绍了电磁隐身表面的研究进展,并提出了一种动态调控电磁隐身超表面,利用PIN二极管实现通带可开关带外吸收的超表面. 当PIN二极管断开时,在11.34 GHz处出现窄带透明窗口,在带外4.8~11.0 GHz和13.5~16.0 GHz的吸波性能均在?10 dB左右;当PIN二极管导通时,吸波频段的吸波性能基本无变化,但关闭了11.34 GHz处的窄带透明窗,从而实现了通带可开关的吸透一体化超表面,在现代军事雷达中有重要应用前景.     

应用于毫米波段的宽带波束调控超表面设计

毫米波段因其较高的数据传输速率和较大的容量而备受关注。为满足现代通信系统对宽带、波束偏转和高辐射效率等天线需求，本文提出了一种工作在88.5～94.6 GHz频带范围内的石墨烯-金属复合结构超表面。该超表面通过调节石墨烯的费米能级，对超表面单元的反射相位进行实时调控编码。调整金属层结构尺寸，可以调制不同编码状态下超表面单元的相位、幅度响应以及编码频段范围。经优化设计，在石墨烯费米能级分别为0 eV和1 eV时，编码超表面单元在88.5～94.6 GHz的宽频带内具有180°±20°的反射相位差，并且反射幅度均大于0.7。利用该单元设计了7×7的超表面，通过合理排布编码单元，可对毫米波段波束进行偏转和多波束切换等动态调控。实验结果显示，单波束最大偏转角度可达105°(-55°～50°),且可实现1～5个波束的切换。该超表面为多功能天线设计提供了新的解决方案，在高速无线局域网、车载雷达、卫星通信等领域具有潜在的应用价值，对毫米波段通信技术的发展具有重要意义。     

基于二氧化钒-狄拉克半金属混合超材料的单/双波段可切换太赫兹吸波器

提出了一种基于二氧化钒-狄拉克半金属混合超材料的单/双波段可切换太赫兹吸波器设计。利用二氧化钒的可逆相变特性来实现单/双波段功能之间的切换,当二氧化钒处于绝缘态时,通过改变狄拉克半金属的费米能级能量,可实现吸收峰值大小和位置的调控。数值仿真表明：当二氧化钒处于绝缘态且狄拉克半金属的费米能级能量设定为160 meV时,吸波器可以在0.97 THz和3.152 THz处出现两个吸收峰,吸收率分别为99.3%和99.7%,均超过了99%,说明在这两个谐振频率点处实现了几乎完美的吸收。而当二氧化钒变为金属态且狄拉克半金属的费米能级能量为160 meV时,吸波器在4.246 THz处出现一个吸收峰,吸收峰值超过98%。实际上,由于狄拉克半金属的存在,吸收率会受到费米能级能量的影响,仿真结果发现：当VO₂处于绝缘态时,狄拉克半金属费米能级能量对吸收峰值和谐振频率点有较大的影响;然而,当VO₂处于金属态时,狄拉克半金属的费米能级能量几乎不会改变吸收峰值和谐振频率。为了验证吸波器的吸波机理,引入阻抗匹配理论对吸波器进行分析。所提出的可切换超材料吸波器可以广泛...     

基于超表面的宽带超低剖面折叠透射阵

该文提出了基于超表面的宽带超低剖面折叠透射阵天线设计方法。该天线由两种超表面阵列和一个作为馈源的开口波导构成。其中,下层超表面能够将馈源发射的线极化入射波转换为交叉极化反射波,上层超表面能够实现特定线极化波的全反射和另一种线极化波的全透射。通过合理设计,该天线能够将辐射电磁波来回反射3次并在较宽频带内实现增益提升,同时其剖面高度能够降至传统透射阵的1/4。天线实测和仿真结果吻合良好,表明3 dB增益带宽达到19.6%(9.2～11.2 GHz),且9.6 GHz处峰值增益达21 dBi,峰值口径效率为30%。该文设计方法为实现宽带低剖面阵列天线设计提供了新思路。     

基于石墨烯的太赫兹透明吸波器设计

透明太赫兹吸波器既可在太赫兹波段实现吸波功能,又对可见光透明,隐蔽性高,因此其在电磁隐形等领域具有广泛应用。文中设计了一种基于石墨烯的太赫兹双频吸波器,它由方形加枝节的石墨烯上层宽带吸波结构和石墨烯-ITO 嵌套形下层窄带吸收结构构成,实现了独立可调的双频吸波功能。经仿真调试,该吸波器能够通过改变石墨烯费米能,分别在1.98~3.64 THz 范围内调节实现90%以上宽频带吸收率和在4.6~4.9 THz 范围内调节实现96%以上吸收率。经验证,该吸波器具有极化不敏感、宽入射范围等优点。     

基于T型石墨烯超材料可调电磁诱导透明效应

基于石墨烯电导率的可调性,设计了T型石墨烯纳米超材料结构,实现对电磁诱导透明(EIT)效应的动态调谐。研究发现,当2个石墨烯条互相靠近时,由于二者间存在较强耦合,发生相消干涉,因此出现透明窗口。同时讨论了石墨烯条长度、缝宽、入射偏振角等几何参数对EIT效应的影响。研究结果表明,耦合强度随着缝宽的增加而减弱;随着入射偏振角的增加也呈现减弱趋势;随着石墨烯条长度的增加,透明窗口发生红移现象,且第一个下降峰强度明显增加。此外,当费米能级由0.3 eV增加到0.9 eV时,共振频率由24 THz蓝移至35 THz,且强度增强,证实了改变石墨烯的费米能级,能够调节透明窗口的位置。并且透明窗口附近有明显的群速度延迟(0.05 ps左右),即可以实现对光速的减慢。     

一种采用吸波透波超表面的天线RCS宽带减缩新方法

设计了一款具有吸波/透波双重特性的超表面,并将其用于微带天线的覆层,实现天线雷达散射截面(radar cross section, RCS)的宽带减缩. 将传统的结构性吸波材料金属单元用氮化钽材料置换,提升了吸波带宽. 同时,将吸波材料与频率选择表面相结合,实现了覆层对于不同来波方向的电磁波分别呈现吸波/透波两种截然不同的电磁特性. 将覆层置于天线上方,当天线工作时,天线辐射的电磁波可以完美穿过覆层,因此对于天线的辐射特性不会造成影响. 当雷达波照射至天线时,覆层所呈现的宽带吸波特性可最大程度降低天线的RCS. 仿真结果表明:使用本文所设计的吸波/透波超表面作为天线覆层时,天线的辐射特性几乎未发生变化;而天线的单站RCS最大减缩量可达20 dB以上,减缩带宽可达5～19 GHz;同时,天线的单、双站RCS在较宽的角度范围内也得到明显的缩减.     

基于石墨烯太赫兹超表面的特殊波束动态调控

现有的大多数特殊波束(聚焦波束、艾里光束等)超表面通常采用金属结构单元,通过改变单元结构的尺寸和旋转角度等方式进行单一的波前调控,但对动态调谐波前的特殊波束超表面的研究很少。本文突破传统结构的壁垒,利用石墨烯独特的电可调性,构造出利用石墨烯费米能级动态调控波前的特殊波束超表面,可在动态调控波前上实现更灵活的自由性,满足更多、更复杂的相位需求。通过调控石墨烯费米能级获得不同的相位分布,动态调控焦点的空间位置、聚焦开关与焦点个数之间的切换以及影响艾里光束的参数等。所提出的动态调控波前特殊波束超表面可为太赫兹在高分辨成像、聚焦可调平面透镜、光学显微操作、激光微加工、光学子弹成型等方面的应用提供参考。     

低剖面极化可重构超表面天线

提出了一种低剖面极化可重构超表面天线. 天线由三部分组成:3×4金属矩形贴片阵列组成的超表面覆层、缝隙耦合天线和直流偏置控制电路. 电路包括8个PIN二极管开关组成的四对开关（PIN1,PIN2,PIN3和PIN4）和直流偏置线,通过控制上述四对PIN开关的工作状态,天线可以在线极化、左旋圆极化和右旋圆极化三种极化状态之间转换. 对天线样机进行了加工并给出了实测反射系数、实际增益、轴比和归一化辐射方向图,结果表明:天线在不同工作状态下的共享工作频带为4～5.4 GHz,?10 dB阻抗带宽为29.8%;3 dB轴比带宽为8.3%,从4.6～5 GHz;各状态下的实测增益相差不大,其平均增益都大于5 dBi. 仿真结果与实测结果吻合良好.     

基于数字超表面的低剖面波束控制天线

针对现有透射型超表面剖面高、难以可重构以及波束控制天线体积大的问题,提出一种基于单层数字超表面的波束偏转和宽窄波束切换天线实现方案. 数字超表面由5×7个双方环单元构成,通过在双方环单元中放置一个PIN二极管实现1比特的数字编码. 馈源天线采用具有寄生条带的微带背馈结构,数字超表面置于天线上方0.096λ₀的高度,通过控制每一列PIN二极管的偏置电压实现对天线波束的操控. 天线实测结果表明:在中心工作频率3.6 GHz处,波束偏转范围为0°~ ±45°;窄波束时增益8.5 dBi,宽波束时增益6.7 dBi,同时宽波束天线的3 dB波束宽度约为窄波束天线的两倍, 测试结果与仿真结果吻合较好. 该天线具有低剖面多功能特点,可应用在车载通信和机载通信等多个领域.     

四叶草形超宽带漫散射编码超表面

该文提出了一种结构新颖的四叶草形编码超表面,并利用该超表面实现了超宽带漫散射.所提出的编码超表面具有旋转对称性,它对x极化和y极化波产生相似的反射特性.为了实现1比特编码超表面,该文设计了在15.5～40.5 GHz的频率范围内且相位差为180°±37°的两个超表面单元.采用优化算法得到阵列中单元的最佳排列,从而实现了...     

复合石墨烯/硅半球的宽带太赫兹超材料吸收器

提出了一种性能可调的宽带、极化与入射角不敏感的超材料太赫兹吸收器,该吸收器自上而下分为四层结构,分别是:硅半椭球/半球体复合结构、连续石墨烯层、PDMS介质层和金属背板。通过在TE波垂直入射条件下仿真,在已知结果基础上,对不同石墨烯化学势和不同结构条件下的电场结果分析表明,在硅半椭球/半球体亚波长复合结构所形成的连续、多模法布里-珀罗共振,以及由石墨烯所激发的多个离散的等离子体共振的协同作用下,其吸收光谱得到平滑和扩展,使该结构可实现吸收率宽范围可调,以及接近100%吸收率的宽频带吸收特性。特别的,当石墨烯化学势分别为0.2与0.9 eV时,其分别可获得约5.7 THz与7 THz的宽带太赫兹波吸收（吸收率超过90％）,且其最大吸收率接近完美吸收（约99.8％）。此外,该结构还具有360°极化不敏感和高于60°的入射角不敏感等优异特性,在以上角度范围内,吸收器吸收率仍可保持到90%以上。在太赫兹波探测、光谱成像以及隐身技术等方面具有潜在的应用前景。     

基于部分极化转换表面与部分反射表面的宽带高增益圆极化天线设计

该文介绍了一种具有部分极化转换与部分反射功能的超表面结构,并将其应用到具有宽带高增益性能的圆极化法布里-珀罗(Fabry-Perot, F-P)谐振腔天线设计中。所设计的超表面在反射地板存在时能够表现出反射型部分极化转换功能从而用于F-P天线的圆极化源设计,而当反射地板被移除时其具有部分反射功能因而能够作为F-P天线的部分反射表面。通过在部分极化转换表面上方放置矩形贴片并加载寄生贴片与部分反射表面,辐射源贴片的线极化辐射能够被转变为高增益圆极化辐射,并且天线的阻抗带宽与轴比带宽均得到加强。所设计的天线经过仿真、加工与测试,测试结果表明其阻抗与轴比带宽分别为6.8～8.4 GHz (21.3%)和6.8～8.3 GHz (19.9%),峰值增益达10.5 dBi。     

时变极化编码表面及其在无线通信中的应用

该文提出了一种时变极化编码超构表面的设计方法,实现了对电磁波基波与谐波分布的非线性调控。通过加载开关二极管的方式,超构表面可在2.4 GHz频率处实现转极化与同极化反射之间的动态切换,进而通过调节时域方波调制信号的占空比和频率,可在频域内调控电磁波基波与谐波的能量分配及频率偏移。在此基础上,利用超构表面的动态电磁响应,...