基于石墨烯的微波段波束控制及极化变换器的制作方法

本实用新型属于微波器件技术领域，涉及基于石墨烯的微波段波束控制及极化变换器。

背景技术：

波束方向控制及波束极化态变换无论是在电磁学的基础研究还是在电磁器件技术方面都是很重要的课题，在诸如反射面天线、波束成形天线、卫星通信、手机通信等领域都有着重要的应用。从电磁学的角度来讲，波束方向控制及波束极化态变换，都是依赖于对电磁波相位的控制。

近年来，随着超材料及超表面的发展，人们对电磁波的相位控制有了全新的手段，基于相位控制的器件也相应的蓬勃发展。作为一种二维的超材料，超表面具有轻质、便捷的物理特性，更重要的是，人们可以通过对亚波长单元的形状、尺寸等参数的改变获得预期的反射或透射相位值，进而通过不同的阵列排布，形成各种功能性的器件。传统的基于金属贴片的超材料外形一旦固定，其功能也随之确定，缺乏可调特性及可重构特性。

为了解决此弊端，可调二极管被大量使用于超表面对电磁波的相位控制之中，并且应用到波束方向控制(T.J.Cui,M.Q.Qi,X.Wan,J.Zhao,and Q.Cheng,“Coding metamaterials,digital metamaterials and programmable metamaterials,”Light Sci.Appl.,vol.3,p.e218,2014.)、波束极化态变换(Fernández,O.,Gómez,Vegas,A.,Molina-Cuberos,G.J.,&Barba,I.“Diode switchable chiral metamaterial structure forpolarization manipulation,”2017IEEE MTT-S InternationalConference179，2017)等领域。然而，基于可调二极管的器件存在焊接复杂，馈线众多的缺点，给其实际应用造成不便。

石墨烯作为一种2004年开始发展的新兴材料，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，已有很多研究者将利用石墨烯来对电磁波进行相位控制，进而达到波束方向调控(T.Yatooshi,A.Ishikawa,and K.Tsuruta,“Terahertz wavefront control bytunablemetasurface made of graphene ribbons,”Appl.Phys.Lett.,vol.3,no.5,pp.788,2015)及极化态变换(Yu X.,Gao X.,Qiao W.,et al.Broadband Tunable PolarizationConverter Realized by Graphene-Based Metamaterial,IEEEPhotonics Technol.Lett.28,2399,2016)，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，利用石墨烯进行相位控制的工作很少，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，难以产生高幅度且相位变化丰富的反射特性，因此，需要对石墨烯进行图案化处理，以便获得的“等效虚部”；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.,Wu B.Experimental Demonstration of Microwave Absorber Using Largearea Multilayer-Graphene based Frequency Selective Surface,IEEETrans.Microw.Theory Tech.,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相位控制提供了可能。

技术实现要素：

实用新型目的：本实用新型的目的在于提供基于石墨烯的微波段波束控制及极化变换器，依托于大面积石墨烯图案化技术，利用石墨烯条带，从理论到实验上证明了石墨烯在微波段进行波束方向控制及波束极化变换的可能性，为石墨烯在微波段的大规模应用打下了坚实的基础。

技术方案：为了实现上述实用新型目的，本实用新型采用如下技术方案：

基于石墨烯的微波段波束控制及极化变换器，包括由上至下依次设置的PVC衬底、FR4介质和金属底板，在所述的PVC衬底上设置石墨烯条带；所述的石墨烯条带包括单层石墨烯条带和多层石墨烯条带。

进一步的，所述的PVC衬底的厚度为70μm，相对介电常数为3.5。

进一步的，所述的FR4介质的相对介电常数为4.4，厚度为3mm。

进一步的，所述的石墨烯条带是一种周期性结构，其结构周期为7mm。

进一步的，所述的单层石墨烯条带和多层石墨烯条带间隔设置在PVC衬底上。

进一步的，当该微波段波束控制及极化变换器用作控制反射波束的方向时，石墨烯条带(单层石墨烯条带和多层石墨烯条带)的宽度为2.1mm；当该微波段波束控制及极化变换器用作改变反射波束的极化状态时，石墨烯条带(单层石墨烯条带和多层石墨烯条带)的宽度定为3.5mm。当所述的石墨烯条带宽度为2.1mm时，实现不同角度的波束扫描功能；当所述的石墨烯条带宽度为3.5mm时，实现波束极化状态变换的功能。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型的基于石墨烯的微波段波束控制及极化变换器结构简单，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，直接生长出相应阻抗的石墨烯来对设计进行验证。本实用新型具体功能包括对反射波束进行方向控制及对反射波束的极化状态进行变换，可用于定向、隐身等应用，为石墨烯在微波段的应用铺展了道路。

附图说明

图1是基于石墨烯的微波段波束控制及极化变换器结构示意图；

图2是基于石墨烯的微波段波束控制及极化变换器单元俯视图；

图3是器件作为波束控制器时，结构单元的反射相位特性；

图4是器件作为波束控制器时，阵列结构的反射波瓣分布的仿真及测试结果；

图5是器件作为极化变换器时，结构单元的反射相位特性；

图6是器件作为极化变换器时，阵列结构的反射波极化状态的仿真及测试结果。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的结构及性能做进一步说明。

如图1-6所示，附图标记为：单层石墨烯条带1、多层石墨烯条带2、PVC衬底3、FR4介质4、金属底板5和石墨烯条带6。

基于石墨烯的微波段波束控制及极化变换器，包括由上至下依次设置的PVC衬底3、FR4介质4和金属底板5，在PVC衬底3上设置石墨烯条带6；石墨烯条带6包括单层石墨烯条带1和多层石墨烯条带2。

PVC衬底3的厚度为70μm，相对介电常数为3.5。FR4介质4的相对介电常数为4.4，厚度为3mm。石墨烯条带6是一种周期性结构，其结构周期为7mm。单层石墨烯条带1和多层石墨烯条带2间隔设置在PVC衬底3上。

当该微波段波束控制及极化变换器用作控制反射波束的方向时，石墨烯条带6的宽度为2.1mm；当该微波段波束控制及极化变换器用作改变反射波束的极化状态时，石墨烯条带6的宽度定为3.5mm。

基于石墨烯的微波段波束控制及极化变换器的制备方法，包括如下步骤：

1)利用matlab及等效电路理论对石墨烯条带，PVC衬底3，FR4介质4，金属底板5进行建模，通过参数扫描，优化得到性能最优的条带宽度值及条带方阻值。结果表明，当石墨烯条带宽度为2.1mm时，所实用新型器件具有良好的波束控制功能，而石墨烯条带宽度为3.5mm时，所实用新型器件具有良好的极化变换功能；

2)利用商业软件CST对所设计模型进行建模，仿真出阵列的特性；

3)对以上步骤所设计的阵列进行加工制备，并测试其性能；

步骤1)中，根据入射波方向的不同，可以将石墨烯条带6(单层石墨烯条带1、多层石墨烯条带2)等效为电阻与电感的串联，或者电阻与电容的串联，等效电阻、电感、电容的公式可参见于(Luukkonen O,Simovski C,Granet G,Simple and accurate analytical model of planar grids and high-impedance surfaces comprising metal strips or patches.IEEE Trans.Antennas Propag.56,1624,2008.)及(Costa,F.,Monorchio,A.,&Manara,G.Analysis and design of ultrathin electromagnetic absorbers comprising resistively loaded high impedance surfaces,IEEE Trans.Antennas Propag.58,1551,2010.)。其余的部件，包括PVC衬底3，FR4介质4，金属底板5可以用各自的标准传输线模型来表征；

步骤2)中，阵列的仿真用到的是时域仿真方法，石墨烯条带6(单层石墨烯条带1、多层石墨烯条带2)用零厚度的阻抗边界条件来模拟，石墨烯的方阻设置为5Ω/sq及2000Ω/sq，对模型施加的边界条件为开放边界。仿真反射波束方向及反射波束极化状态时，添加远场探针；

步骤3)中，单层石墨烯条带1利用铜箔来生长，多层石墨烯条带2利用镍箔来生长，生长方法为CVD法，生长后，将石墨烯条带6转移到PVC3上；最后，将带有石墨烯条带6的PVC衬底3贴合到金属底板5(铜底)的FR4介质4板上。

图1是基于石墨烯的微波段波束控制器及极化变换器结构示意图。单层石墨烯条带1及多层石墨烯条带2分别用不同的图案来表示。为了方便区分，图中，我们将不同的层级结构间隔出了一定距离，实际上，石墨烯条带6(单层石墨烯条带1、多层石墨烯条带2)与PVC衬底3，FR4介质4，金属底板5是紧密贴合在一起的。

图2是基于石墨烯的微波段波束控制器及极化变换器单元俯视图，其中，单元的周期为7mm，石墨烯条带6的宽度视其功能而定。当该器件用作控制反射波束的方向时，石墨烯条带6的宽度定为2.1mm，当该器件用作改变反射波束的极化状态时，石墨烯条带6的宽度定为3.5mm。

图3是所实用新型器件作为波束控制器时，结构单元的反射相位特性，此时，添加的激励为电场方向沿着条带极化。从图中可以看出，当石墨烯的方阻分别为5Ω/sq及2000Ω/sq时，两者的反射相位在13GHz达到180°，基于此，我们利用这两种单元进行不同的阵列排布，从而可以获得不同的反射波束方向。

图4是所实用新型器件作为波束控制器时，图4(a)和图4(b)分别是阵列结构的反射波瓣分布的仿真及测试结果。为方便描述，如图1所示阵列为两条多层石墨烯条带2，两条单层石墨烯条带1相间分布，记为(N＝2)。以此类推，图4中，仿真并测试了(N＝4)及(N＝2)的情形，可以看出，仿真及测试到的反射波束的主瓣方向从24.3°变化到了55.5°。图3和图4的结果体现了所实用新型器件良好的反射波束方向控制能力。

图5是所实用新型器件作为极化变换器时，结构单元的反射相位特性，图中的相位差反映出的是入射极化分别为x-极化及y-极化下的反射波相位之间的差值。从图中可以看出，当石墨烯的方阻为5Ω/sq时，相位差能够产生从小于90°到大于270°的遍历；而当石墨烯的方阻为2000Ω/sq时，相位差几乎保持0°不变。

图6是所实用新型器件作为极化变换器时，阵列结构的反射波极化状态的仿真及测试结果。从图中可以看出，当石墨烯方阻很小时，反射波的轴比在7GHz及11GHz左右产生极小值(<2dB)，而在9GHz左右产生一个极大值(>40dB)，说明在这些频点，反射波相比于入射波，极化状态经历了从线极化到左旋圆极化，线极化到交叉线极化，线极化到右旋圆极化的变换。当石墨烯方阻很大时，反射波的轴比始终保持在20dB以上,结合图5中的相位差值可知，反射波保持了入射波的极化状态。图5和图6的结果体现了所实用新型器件良好的反射波极化态变换能力。