Ku波段的高透明柔性动态调频吸波表面结构及其制备方法
阅读说明：本技术 Ku波段的高透明柔性动态调频吸波表面结构及其制备方法 (Ku-waveband high-transparency flexible dynamic frequency modulation wave-absorbing surface structure and preparation method thereof ) 是由 陆卫兵 刘震国 耿明扬 陈昊 于 2021-07-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种Ku波段的高透明柔性动态调频吸波表面结构及制备方法,属于微波器件技术领域,包括叠合设置的石墨烯电容、方形金属丝网阵列、PDMS介质层和金属丝网底板,所述的石墨烯电容包括上下两层叠合设置的PET衬底,在每层所述的PET衬底的内侧均设有单层周期石墨烯条带阵列,在所述的两层叠合设置的PET衬底之间均匀填充透明离子液。石墨烯的方阻能通过直流电压源对其施加不同的电压进行动态控制,具体功能包括对入射波进行完美吸收且中频吸波频点在Ku波段进行动态调谐,可用于透明隐身、光电太阳能电池等,为石墨烯在微波段的透明柔性应用铺设了道路。(The invention discloses a Ku-waveband high-transparency flexible dynamic frequency modulation wave-absorbing surface structure and a preparation method thereof, belonging to the technical field of microwave devices. The square resistance of the graphene can be dynamically controlled by applying different voltages to the graphene through a direct-current voltage source, the specific functions include perfect absorption of incident waves and dynamic tuning of intermediate-frequency wave-absorbing frequency points in a Ku wave band, the graphene square resistance can be used for transparent stealth, photoelectric solar cells and the like, and a road is laid for transparent flexible application of the graphene in a microwave band.)
技术领域
本发明属于微波器件技术领域，涉及Ku波段的高透明柔性动态调频吸波表面结构及其制备方法。
背景技术
在国防领域光学透明部件的电磁隐身和电磁防护具有极其重要的应用场景，一直是作战平台系统的研究重点和难点之一。有研究资料表明，透明部件对作战平台整体RCS的贡献占有较大的比重。例如透明座舱是飞机三大电磁散射源之一，对机头方向的RCS贡献约占全机的1/4。再以担负对海、反潜、近岸、防空作战为主要目标的水面作战平台为例，需要进行电磁隐身和电磁防护的除了各种用频设备外还包括舰船驾驶舱、舷窗、灯罩、装备视窗等各种透明部件的隐身和防护。因此通过设计具有光学透明特性的电磁吸波结构实现武器平台上透明部件的电磁隐身和电磁防护，提高整个武器平台的生存能力和作战效能具有重要理论意义和工程应用价值。
除此之外，为了提高探测能力，雷达的工作频率往往会动态的发生改变，因此未来的战机、舰船等武器平台也需要具有相应的变化手段与之相适应，才能更好地完成电磁对抗的要求，增加其战场生存能力。对于透明部件而言，这便要求透明电磁吸波结构的吸波幅度及工作频段具有一定动态可调功能。而目前的ITO等透明材料只能实现一定的电磁屏蔽和电磁吸波功能，无法实现对电磁波吸波的动态调控。为此，开发一款吸波率和工作频率可动态调控的新型透明电磁吸波材料的需求就显得极为迫切，也是新一代平台与装备电磁隐身与对抗技术的发展亟需解决的问题。
近年来，随着纳米加工技术的发展，人们通过将特殊加工的金属丝网与一些透明柔性介质PDMS(T.Jang and L.J.Guo.“Transparent and Flexible Polarization-Independent Microwave Broadband Absorber,”ACS Photonics,vol.1,No.3,2014)、PET(Y.Okano,S.Ogino and K.Ishikawa,“Development of Optically TransparentUltrathin Microwave Absorber for Ultrahigh-Frequency RF IdentificationSystem,”IEEE Trans.Micro.Theor.Tech,vol.60,No.8,2012)结合进行透明柔性的吸波表面研究，研究方向主要集中在吸波带宽增强等方面。然而，由于吸波表面中金属丝网的拓扑形状一旦固定便很难改变，故而吸波表面结构一旦固定，其功能也随之确定，无法实现动态调控。
石墨烯作为一种新兴的二维平面材料，在力学、电学、光学、生物化学等等方面表现出杰出的性能，如单层石墨烯具有接近97.7％的透光率，具有最快的电子迁移率(15000cm2/v/cm)，不受温度控制的超高电荷载流子迁移率(200000cm2/v/s)和接近光速的高效的费米速度(106m/s)。石墨烯还有极好的机械性能，其杨氏模量为1.0TPa，此外，它还有极好的电子传导率及柔韧性。
正是因为石墨烯的这些性质，广大的科研工作者给予了极高的关注度。经过十几年的发展，已有很多研究者将石墨烯用来对电磁波进行吸收控制(Osman Balci,EmreO.Polat,NurbekKakenov and CoskunKocabas.“Graphene-enabled electricallyswitchable radar-absorbing surfaces,”Nat.Commun.2015)。但这些工作以理论为主，且以太赫兹频段居多。而在目前通信技术常用的微波段，利用石墨烯进行动态调谐的工作很少，究其原因，石墨烯在微波段的特性相当于一层可调的电阻膜，其阻抗的虚部很小，因此，需要对石墨烯进行图案化处理，以便获得“等效虚部(Da Yi,Xing-Chang Wei,and Yi-LiXu.“Tunable Microwave Absorber Basedon Patterned Graphene,”IEEETrans.Microw.Theory Techn.,vol.65,no.8,pp.2819-2826,Aug.2017)；此外，微波段应用要求石墨烯的尺寸较大，大面积石墨烯的生长与图案化就成为阻碍其实际应用的难点。2018年，本课题组在(Chen H.,Lu W.B.,Liu Z.G.,Zhang J.,Zhang A.Q.,WuB.Experimental Demonstration of Microwave Absorber Using LargeareaMultilayer-Graphene based Frequency Selective Surface,IEEETrans.Microw.TheoryTech.,66,3087,2018)工作中解决了大面积石墨烯图案化的问题，为利用石墨烯在微波段进行吸波表面的动态调谐提供了可能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是在微波段利用石墨烯实现吸波表面的谐振频率动态调控。本发明提出了Ku波段的高透明柔性动态调频吸波表面结构，包括依次叠合设置的石墨烯电容、方形金属丝网阵列、PDMS介质层和金属丝网底板；组成本发明吸波表面结构的各层结构均透明柔性，550nm处本发明吸波表面结构透光率接近75％。
所述石墨烯电容包括第一PET衬底、第二PET衬底、设置在第一PET衬底上的第一石墨烯条带阵列、设置在第二PET衬底上的第二石墨烯条带阵列、以及填充在第一PET衬底和第二PET衬底之间的透明离子液；
第一PET衬底和第二PET衬底叠合设置，第一石墨烯条带阵列和第二石墨烯条带阵列分别设置在第一PET衬底和第二PET衬底的内表面。
进一步的，第一石墨烯条带阵列和第二石墨烯条带阵列图案相同；第一石墨烯条带阵列和第二石墨烯条带阵列均包括等间距周期性排列的石墨烯条带单元；石墨烯条带单元为矩形，且第一石墨烯条带阵列上的石墨烯条带单元和第二石墨烯条带阵列上的石墨烯条带单元一一对应；
进一步的，在第二PET衬底内表面的周围涂抹有丙酮胶，丙酮胶的厚度为100微米，第一PET衬底通过丙酮胶与第二PET衬底粘合。
进一步的，方形金属丝网阵列包括周期性排列的金属丝网单元，每片金属丝网单元与石墨烯条带单元一一对应设置，相对应设置的金属丝网单元中心点与石墨烯条带单元中心点重合。
Ku波段的高透明柔性动态调频吸波表面结构的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，利用matlab及等效电路理论对石墨烯电容、方形金属丝网阵列、PDMS介质层和金属丝网底板进行建模，通过参数扫描，优化得到动态调频功能最优的石墨烯条带单元尺寸、石墨烯条带单元间隔、石墨烯方阻值、以及金属丝网单元尺寸。
步骤2，根据步骤1得到石墨烯方阻值，利用铜箔来生长石墨烯，生长方法为CVD法，生长后，将石墨烯转移到第一PET衬底和第二PET衬底上；
根据步骤1得到的石墨烯条带单元尺寸和石墨烯条带单元间隔，通过激光对第一PET衬底和第二PET衬底上的石墨烯进行刻蚀，得到附着在第一PET衬底上的第一石墨烯条带阵列，以及附着在第二PET衬底上的第二石墨烯条带阵列；
步骤3，在第二PET衬底表面的四周涂丙酮胶，所述丙酮胶和第二石墨烯条带阵列位于第二PET衬底的同一个表面上；在丙胶围成的区域内填充透明离子液；
步骤4，第一PET衬底通过丙酮胶与第二PET衬底贴合密封，第一石墨烯条带阵列朝向第二PET衬底；形成石墨烯电容；
步骤5，在PDMS介质层的两个表面分别附着方形金属丝网阵列和金属丝网底板；方形金属丝网阵列中的金属丝网单元的尺寸与步骤1中得到的金属丝网单元尺寸相同；
步骤6，石墨烯电容与附着方形金属丝网阵列和金属丝网底板的PDMS介质层相贴合，其中方形金属丝网阵列和第二PET衬底相贴合；
有益效果：本发明提供了Ku波段的高透明柔性动态调频吸波表面结构，依托于激光刻蚀大面积石墨烯条带阵列技术，利用图案化石墨烯，从理论到实验上证明了石墨烯在微波段进行吸波表面的动态调控的可能性，为石墨烯在微波段的大规模应用打下了坚实的基础；同时，本发明中通过丙酮胶形成100微米的封闭空间，使得离子液直接填充在两层石墨烯电极之间而不发生短路，解决了石墨烯电容由于隔膜纸而透明度低的难题，为石墨烯在微波段透明电磁防护场景中的应用提供了新思路。
本发明的Ku波段的高透明柔性动态调频吸波表面结构简单，石墨烯的方阻能够通过直流电压源对其施加不同的电压进行控制，本发明利用了动态方法，即利用直流偏压装置对生长出的石墨烯的阻抗进行动态调控，从而进行动态验证。本发明具体功能包括对入射波进行完美吸收且中频吸波频点可以在Ku波段进行动态调谐，可用于透明隐身、光电太阳能电池等应用，为石墨烯在微波段的透明柔性应用铺展了道路。
附图说明
图1是Ku波段的高透明柔性动态调频吸波表面结构示意图；
图2是Ku波段的高透明柔性动态调频吸波表面结构的剖视图；
图3是不同直流电压下，本发明吸波表面结构的吸波率的测试结果。
其中，1、石墨烯电容；11、第一PET衬底；12、第二PET衬底、13、第一石墨烯条带阵列、14、第二石墨烯条带阵列、15、透明离子液；2、方形金属丝网阵列；3、PDMS介质层；4、金属丝网底板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构及性能做进一步说明。
如图1所示，Ku波段的高透明柔性动态调频吸波表面结构，包括依次叠合设置的石墨烯电容1、方形金属丝网阵列2、PDMS介质层3和金属丝网底板4；
所述石墨烯电容1包括第一PET衬底11、第二PET衬底12、设置在第一PET衬底11上的第一石墨烯条带阵列13、设置在第二PET衬底12上的第二石墨烯条带阵列14、以及填充在第一PET衬底11和第二PET衬底12之间的透明离子液15；如，所述透明离子液15可以采用三氟甲烷磺酰亚胺盐。
第一PET衬底11和第二PET衬底12叠合设置，第一石墨烯条带阵列13和第二石墨烯条带阵列14分别设置在第一PET衬底11和第二PET衬底12的内表面。
第一石墨烯条带阵列13和第二石墨烯条带阵列14图案相同；第一石墨烯条带阵列13和第二石墨烯条带阵列14均包括等间距周期性排列的石墨烯条带单元；石墨烯条带单元为矩形，且第一石墨烯条带阵列13上的石墨烯条带单元和第二石墨烯条带阵列14上的石墨烯条带单元一一对应；
在第二PET衬底12内表面的周围涂抹有丙酮胶，丙酮胶的厚度为100微米，第一PET衬底11通过丙酮胶与第二PET衬底12粘合。
方形金属丝网阵列2包括周期性排列的金属丝网单元，每片金属丝网单元与石墨烯条带单元一一对应设置，且二者的中心点重合。
本发明的Ku波段的高透明柔性动态调频吸波表面结构的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，利用matlab及等效电路理论对石墨烯电容1、方形金属丝网阵列2、PDMS介质层3和金属丝网底板4进行建模，入射电磁波垂直入射时，将石墨烯条带阵列等效为电阻、电容与电感的串联；方形金属丝网阵列2等效为电容；PET衬底，PDMS介质层3，金属丝网底板4用各自的标准传输线模型来表征；
其中等效电阻、电感、电容的公式可参见Luukkonen O,Simovski C,Granet G,Simple and accurate analytical model of planar grids and high-impedancesurfaces comprising metal strips or patches.IEEE Trans.Antennas Propag.56,1624,2008.及Costa,F.,Monorchio,A.,&Manara,G.Analysis and design of ultrathinelectromagnetic absorbers comprising resistively loaded high impedancesurfaces,IEEE Trans.Antennas Propag.58,1551,2010.。
通过参数扫描，优化得到动态调频功能最优的石墨烯条带单元尺寸、石墨烯条带单元间隔、石墨烯方阻值、以及金属丝网单元尺寸。
当石墨烯条带单元的尺寸为5.0mm*5.4mm的矩形、石墨烯条带单元的间隔为0.4mm，金属丝网单元尺寸为3.6mm*5.4mm时，本发明吸波表面结构具有良好的动态调频功能。
同时，本发明中采用PET衬底2的厚度为120μm，相对介电常数为2.8；PDMS介质层3的相对介电常数为2.8，厚度为1mm；石墨烯条带单元的结构周期为5.4mm；方形金属丝网阵列2为周期性结构，其中结构周期为5.4mm。
步骤2，根据步骤1得到石墨烯方阻值，利用铜箔来生长石墨烯，生长方法为CVD法，生长后，将石墨烯转移到第一PET衬底11和第二PET衬底12上；
根据步骤1得到的石墨烯条带单元尺寸和石墨烯条带单元间隔，通过激光对第一PET衬底11和第二PET衬底12上的石墨烯进行刻蚀，得到附着在第一PET衬底11上的第一石墨烯条带阵列13，以及附着在第二PET衬底12上的第二石墨烯条带阵列14；
步骤3，在第二PET衬底12表面的四周涂丙酮胶，所述丙酮胶和第二石墨烯条带阵列14位于第二PET衬底12的同一个表面上；在丙胶围成的区域内填充透明离子液15；
步骤4，第一PET衬底11通过丙酮胶与第二PET衬底12贴合密封，第一石墨烯条带阵列13朝向第二PET衬底12；形成石墨烯电容1；
步骤5，在PDMS介质层3的两个表面分别附着方形金属丝网阵列2和金属丝网底板4；方形金属丝网阵列2金属丝网单元的尺寸与步骤1中得到的金属丝网单元尺寸相同；
步骤6，石墨烯电容1与附着方形金属丝网阵列2和金属丝网底板4的PDMS介质层3相贴合，其中方形金属丝网阵列2和第二PET衬底12相贴合；
利用商业软件CST对所设计模型进行建模，采用时域仿真方法进行石墨烯阵列的仿真，图案化石墨烯用零厚度的阻抗边界条件来模拟，石墨烯的方阻在700Ω/sq～2100Ω/sq的区域按照50Ω/sq的步进等间隔取值，对模型施加的边界条件为开放边界，仿真得到石墨烯超表面的特性，如透射系数、反射系数等；
按本发明的方法制备出动态调频吸波表面结构后，测试本发明的动态调频吸波表面结构的吸波率特性。石墨烯的方阻能够通过直流电压源对其施加不同的电压进行控制，利用了动态方法，即利用直流偏压装置对生长出的石墨烯的阻抗进行动态调控，如图3所示，在石墨烯的两端分别加5V、1.5V、0V的直流电压，石墨烯的方阻从700Ω/sq增大到2100Ω/sq时，吸波表面的中心频率从14.6GHz增大到16.7GHz，同时，中心频率对应的吸波率峰值均大于0.95，接近完美吸收，基于此，我们便实现了吸波表面在微波段即Ku波段的动态调控。