《电子技术应用》
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一种新型单透双吸石墨烯-频率选择表面复合电磁超材料的研究
电子技术应用
刘博源,魏利郝,张海福,宋庆辉
中国电子科技集团公司第五十四研究所
摘要: 石墨烯是一种新型超薄的二维材料,因具有电磁特性可调控等特点,成为电磁学研究领域的一个新热点。同时,频率选择表面一直是人工周期性材料中的研究热点。该研究将二者的优点结合起来,提出了一种新型的石墨烯-频率选择表面复合电磁超材料周期结构。该结构的透波通带为34.45 GHz~36.98 GHz(绝对带宽为2.53 GHz)。吸波频带分别为31.18 GHz~32.95 GHz(绝对带宽为1.77 GHz)和38.17 GHz~39.52 GHz(绝对带宽为1.35 GHz)。因技术限制,在研究过程中制作了一个仅有单层石墨烯周期结构的材料并进行测试。从测试数据可以看出,石墨烯周期结构在整个测试的微波毫米波频段(8 GHz~40 GHz)内都有吸波功能。若在工程中将其与频率选择表面周期结构复合,有望为实现新型超材料隐身天线罩提供一种新的可能。
中图分类号:TN823 文献标志码:A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.256921
中文引用格式: 刘博源,魏利郝,张海福,等. 一种新型单透双吸石墨烯-频率选择表面复合电磁超材料的研究[J]. 电子技术应用,2026,52(1):96-102.
英文引用格式: Liu Boyuan,Wei Lihao,Zhang Haifu,et al. Study on a novel graphene-FSS composite electromagnetic metamaterial with single transparent and dual-absorptive-bands[J]. Application of Electronic Technique,2026,52(1):96-102.
Study on a novel graphene-FSS composite electromagnetic metamaterial with single transparent and dual-absorptive-bands
Liu Boyuan,Wei Lihao,Zhang Haifu,Song Qinghui
The 54th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation
Abstract: Graphene is a new kind of ultra-thin two-dimensional material, which has become a new hotspot in the field of electromagnetism because of its controllable electromagnetic properties. At the same time, frequency-selective surface (FSS) has always been a research hotspot in artificial periodic materials. In this paper, a composite electromagnetic metamaterial periodic structure with a graphene-FSS is proposed. The transmission band of the structure is 34.45 GHz~36.98 GHz (absolute bandwidth is 2.53 GHz). The absorption bands are 31.18 GHz~32.95 GHz (the absolute bandwidth is 1.77 GHz) and 38.17 GHz~39.52 GHz (the absolute bandwidth is 1.35 GHz), respectively. Based on the study, a single-layer graphene periodic structure without FSS part is fabricated and tested. It can be concluded that the grapheme periodic structure has good absorption characteristic in the whole measured microwave and millimeter wave frequency band (8 GHz~40 GHz). The composite electromagnetic metamaterial structure made of graphene and FSS structures is a good new candidate to realize a new metamaterial stealth radome.
Key words : graphene;frequency-selective surface (FSS);absorption characteristic;wave transparent characteristic;metamaterials

引言

随着现代通信雷达技术的迅猛发展,“看不见、摸不着”的电磁波无处不在。在利用电磁波进行无线通信时,也承受着电磁波带来的危害和不便。民用方面:在机场,各航班因相互间的电磁波干扰无法准点起飞;在医院,移动电话通常会干扰各种电子诊疗仪器的正常工作;在家里,各种家用电器的使用也会造成一定的电磁泄漏。军用方面:在军舰、导弹等应用平台上,多套长距离或短距离通信系统和实现侦查、防御及干扰的雷达系统之间的电磁干扰不可小觑;同时,各种导弹、飞行器外表面或通信雷达系统中天线部件因金属材质对电磁波有强烈的反射而容易被敌方雷达探测到。在诸如以上实际工程问题的驱动下,对吸波材料的研究迅速成为电磁领域里的新热点。

许多公开发表的文献资料表明可设计一种频率选择表面[1-8]加载的介质天线罩。在天线的工作频带内,天线罩对于天线来说是电磁透明的,对天线辐射出来的电磁波衰减很小,天线可以自由收发信号。在天线工作频带外,天线罩能吸收掉罩外来波,不向来波方向或任意方向反射,从而降低外界来波对天线的干扰,或者实现天线的隐身。因此,这样的天线罩同时具有透波和吸波功能。很多现有研究成果利用频选表面周期结构和带有电阻性或磁性的周期结构相结合实现了一个透波频带(即天线工作的通频带)和通带外一侧(或高于通带的频带或低于通带的频带)的吸波频带。电阻性周期结构通常由集总电阻或电阻薄膜实现。

2004年,作为二维材料的石墨烯[9-16]被首次发现。独特的能带结构使其拥有一系列优异的物理、化学性质。通过研究表明,与石墨、碳纳米管等碳系材料相似,它同样具有电磁屏蔽和吸波的功能。因它由单层碳原子构成,厚度仅为一个碳原子厚度,因此是目前已经发现的最薄的吸收材料。将石墨烯作为吸波材料的研究主要有两个方向:一方面是从材料学出发,研究基于石墨烯的复合吸波材料的制备方法以及吸波性能;另一方面是基于石墨烯的电磁特性,研究石墨烯对电磁波的调控效果。

基于以上研究背景,本文提出一种新型石墨烯-频率选择表面复合的电磁超材料。它通过附着在介质基板上的金属频率选择表面和石墨烯来实现一个透波通带;同时,在通带两侧分别有一个吸波频带,即单透双吸的电磁特性。该结构的透波通带为34.45 GHz~36.98 GHz(绝对带宽为2.53 GHz)。吸波频带分别为31.18 GHz~32.95 GHz(绝对带宽为1.77 GHz)和38.17 GHz~39.52 GHz(绝对带宽为1.35 GHz)。


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http://www.chinaaet.com/resource/share/2000006920


作者信息:

刘博源,魏利郝,张海福,宋庆辉

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄 050081)


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