[发明专利]基于石墨烯/金属复合超表面的双带电磁波透射调制方法及器件

说明书

本发明涉及一种基于石墨烯/金属复合超表面的双带电磁波透射调制方法及器件，属于有源调制技术领域。其中调制方法为将电磁高效透射超表面与石墨烯超表面相结合，在微波波段内实现特定的工作频带和透射强度，同时通过在石墨烯上加载电压，实现双频带电磁波透射率的动态可调。其中调制器件包括两个独立的金属亚单元结构和石墨烯三明治结构，电磁高效透射超表面与石墨烯超表面的结合使该结构在微波波段内实现特定的工作频带和透射强度，同时通过在石墨烯上加载电压，实现双频带电磁波透射率的动态可调。

技术领域

本发明属于有源调制技术领域，涉及双频带工作的复合超表面电磁波透射有源调制技术，尤其涉及一种基于石墨烯/金属复合超表面的双带电磁波透射调制方法及器件，包括石墨烯超表面和独立设计工作频段的电磁高效透射超表面，可以实现不同的工作频带和透射率，且透射强度动态可调。

背景技术

超透射现象最开始源于人们对光通过小孔传输问题的讨论。1944年Bethe提出电磁波通过小孔会发生衍射的新理论，由于上述理论对材料做了完美的假设，所以提出的理论仅适用于远场，对近场却不适用。随着制造工艺的日渐成熟，在1998年T.W.Ebbesen在对金属银膜上的圆孔阵列研究时发现，若圆孔的直径远小于电磁波的波长时会在某频段内出现异常的高透射现象，并指出当光通过金属膜上的亚波长周期性小孔时会出现异常高的透射波峰。随后，研究人员基于此设计了许多超表面结构用来实现各个频段的异常透射现象，超透射现象在滤波器、传感器、光刻机等光学器件有着广泛的应用前景。

超表面是指人工设计的自然界中不存在的周期性或非周期性的二维微结构，打破了传统材料对电磁波的限制，具有特殊的性能，其奇特的电磁特性来源于微结构的单元尺寸和几何形状，一旦设计成型，超表面便具有固定的谐振频率、幅值以及相位，而超出这个频率范围，特异的电磁特性就会消失。如果需要根据实际情况调整超表面器件的电磁参数，就必须重新设计超表面的尺寸和形状，这极大地限制了超表面的应用前景，而现代科技要求器件的电磁参数能随环境的变化而自主调节。

为解决上述问题，研究人员将可调超表面作为重要研究对象。有源调制器件通过引入电压或其他可控有源元件，改变材料的电磁特性或单元结构电路模型中的电容或电阻等，实现对电磁材料的动态调节。Sievenpiper D F等人在蘑菇型单元结构组成的超表面中加载变容二极管，形成一个电容、电感并联电路，通过加载的变容二极管对电容进行调节，达到对谐振频率进行有效调节的目的；Zhu B O等人通过在人工电磁表面加载变容二极管，实现对反射相位进行360°调节，解决了传统单元结构的反射相位在±180°附近随频率变化趋势很慢的问题。这种有源调制器件具有操作简单、切换速度快以及安全可靠等优点，对于提高设计灵活性以及丰富电磁材料的功能性具有重要作用，可被广泛应用于多种场景。