本发明涉及红外隐身技术领域，尤其涉及带宽及吸收频段可调的石墨烯吸波器及其吸波调节方法。
背景技术：
目前，吸波材料早已超出电磁隐身与对抗等军事领域，在安全通信、电磁防护等民用领域的需求也日益迫切。理想的吸波材料必须具有吸波强、频带宽、重量轻、厚度薄、易共形等优点，然而现有的吸波材料无法同时满足“强、宽、轻、薄、柔”的高要求。近年来，通过salisbury吸收屏、碳纳米管，表面等离子体等技术实现特定电磁波的吸收。但是，这些吸波器件大多频带单一、厚度较厚、吸波率较低、入射角稳定性较差、对偏振较为敏感，大幅降低它们的应用前景。
现有技术中，已有的石墨烯薄膜吸波器采用多个相同的贴片单元，每个贴片单元由多个相同的贴片组成，通过控制直流电源电压，使得石墨烯薄膜电导率发生相应变化，从而改变吸波器的输入阻抗与自由空间阻抗的匹配程度，实现对吸波率的动态调节。然而，其所有贴片单元及贴片单元的贴片均相同，且所有石墨烯薄膜均由一个电压源控制，对石墨烯的调节功能有限，该技术方案能吸收的电磁波的带宽较窄。
因此，如何提升石墨烯薄膜吸波器的带宽以及使吸收频段可调成为了本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现要素：
针对现有技术存在的上述不足，本发明要解决的技术问题是：如何提升石墨烯吸波器的吸收带宽及使吸收频段可调。
为解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种带宽及吸收频段可调的石墨烯吸波器，其特征在于，由m×n个吸波单元组成，m和n是自然数，m>2，n>2，每个所述吸波单元包括底层金属及2×2个吸波片，每个所述吸波片均贴附在所述底层金属上，每个所述吸波片从上到下依次由顶层金属、石墨烯层及电介质层贴附而成，每个所述吸波片的石墨烯层与底层金属分别通过一个独立电源连接。
每个吸波单元上有四个吸波片，且每个吸波片的石墨烯层与底层金属分别通过一个独立电源连接，因此，本石墨烯吸波器在调节施加在吸波片上的电压大小从而调节吸波片的吸波频段以外，还可以向不同的吸波片施加大小不同的电压，从而使一个吸波单元上的各个吸波片的吸波带宽不同，从而实现提升吸波器带宽的目的。
优选地，所述电介质层的相对介电常数为εr=2、相对磁导率为μr=1。
从材料库中选取的介质材料其相对介电常数为εr=2、相对磁导率为μr=1，使优化出来的参数能够很好地与空气相匹配。
优选地，每个吸波单元上的吸波片的横截面积不同。
在同一个吸波单元上采用不同横截面积的吸波片，在调节施加在石墨烯与金属地之间的电压时，可进一步的调节石墨烯吸波器可吸收的电磁波的频段。
优选地，吸波片为正四边形块。
将吸波片做成正四边形块，既便于加工，也便于将吸波片贴服在底层金属上。
为进一步优化上述技术方案，从所述吸波单元的左上角开始顺时针排列分别为第一吸波片、第二吸波片、第三吸波片及第四吸波片，其中所述第一吸波片的电介质层厚度为0.46um，边长为2.3um，所述第一吸波片上的石墨烯层与底层金属间连接第一独立电源，所述第二吸波片的电介质层厚度为0.46um，边长为3.1um，所述第二吸波片上的石墨烯层与底层金属间连接第二独立电源，所述第三吸波片的电介质层厚度为0.46um，边长为1.9um，所述第三吸波片上的石墨烯层与底层金属间连接第三独立电源，所述第四吸波片的电介质层厚度为0.46um，边长为2.7um，所述第四吸波片上的石墨烯层与底层金属间连接第四独立电源，所有石墨烯层的厚度为1nm。
每个吸波单元上设置四块尺寸不同的吸波片，在提升石墨烯吸波器带宽的同时，也保证了每个吸波单元的制造成本不会过高，采用这种结构的吸波单元组成的石墨烯吸波器，并通过独立电源向吸波片施加适当的电压，在13.6-22thz可以达到90%以上的吸收率，超过90%的吸收率带宽达到13.7thz。
优选地，顶层金属及底层金属为金。
在太赫兹频段基本都用金作金属层，因为金在太赫兹频段的损耗最小
优选地，底层金属层厚度为0.2um和顶层金属层厚度为0.1um。
在所考虑的频段范围，入射波在金属中的趋肤深度为70nm，因此厚度为0.2um的底层金属能够有效的防止电磁波透射过吸波器。顶层和底层金属的目的在于将耦合到介质层和石墨烯层的不同频率电磁波束缚在介质层和石墨烯层内，并最终使其以焦耳热的形式在石墨烯层被吸收。
优选地，每个吸波单元的底层金属为边长为10um的正四边形块。
为适应吸波片的大小并保证在一定的面积内设置尽可能多的吸波片从而增强石墨烯吸波器的吸波效果，因此在该频段每个吸波单元的底层金属选用边长为10um的正四边形块为宜，当需要吸收低频些的电磁波时候，可以扩大该边长，反之减小。
一种带宽及吸收频段可调的石墨烯吸波器的吸波调节方法，此处的带宽及吸收频段可调的石墨烯吸波器为上述结构的带宽及吸收频段可调的石墨烯吸波器，本方法包括如下步骤：
获取需要吸收的电磁波的频段信息；
调用与所述频段信息相匹配的电压控制方案；
控制所述独立电源按照所述电压配置方案向所述吸收单元施加电压。
不同的吸波频段有不同的电压控制方案，电压控制方案可存储在专用的存储器中，当知道需要吸收的电磁波的频段信息后，可以调用与此频段信息相匹配的电压控制方案，并以此电压控制方案控制独立电源向吸波单元施加电压，从而使本发明公开的带宽及吸收频段可调的石墨烯吸波器可以满足不同频段的吸波要求，上述步骤可以通过程序自动控制，从而通过数字调控电压的输出电压就可以自动达到目的。
优选地，所述电压控制方案的生成方法包括：
控制所述独立电源向所述吸波单元上不同的吸波片的石墨烯层与底层金属间施加不同的电压；
记录所述独立电源施加所述电压时所述带宽及吸收频段可调的石墨烯吸波器的吸波频段；
基于所述吸波频段及与之匹配的所述电压生成所述电压控制方案。
每个吸波单元有四个吸波片，每个吸波片的石墨烯层均与底层金属都通过一个独立电源连接，控制独立电源向吸波单元上不同的吸波片的石墨烯层与底层金属间施加不同的电压，即，一个吸波单元上四个吸波片的石墨烯层上的电压相同或不同，但是不同的吸波单元上位置相同的吸波片的石墨烯层的电压是相同的。不同的电压施加情况，带宽及吸收频段可调的石墨烯吸波器可吸收的电磁波的频段是不同的，根据此电压施加情况及吸收的电磁波的频段的情况生成吸收此频段的电磁波的电压控制方案。通过大量的实验可以得多不同吸收频段的电压控制方案，当需要吸收某个频段的电磁波时，只需要调用相应的电压控制方案对独立电源进行控制即可。
附图说明
为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为本发明公开的一种带宽及吸收频段可调的石墨烯吸波器的吸波单元的结构示意图；
图2为本发明公开的一种带宽及吸收频段可调的石墨烯吸波器的吸波单元的剖面视图；
图3为本发明公开一种带宽及吸收频段可调的石墨烯吸波器在电磁波垂直入射时反射波s11的强度情况示意图；
图4为本发明公开一种带宽及吸收频段可调的石墨烯吸波器在电磁波垂直入射角度φ发生变化时反射波s11的强度情况示意图；
图5为本发明公开一种带宽及吸收频段可调的石墨烯吸波器在电磁波入射角度θ变化时反射波s11的强度情况示意图；
图6为本发明公开一种带宽及吸收频段可调的石墨烯吸波器在石墨烯层加不同偏置电压时吸收率曲线图。
图中标号与名称的对应关系为：1吸波单元、11底层金属、12吸波片、1201第一吸波片、1202第二吸波片、1203第三吸波片、1204第四吸波片、121顶层金属、122石墨烯层、123电介质层、2独立电源、21第一独立电源、22第二独立电源、23第三独立电源、24第四独立电源。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
实施例1：
如图1及图2所示，本发明公开了一种带宽及吸收频段可调的石墨烯吸波器，其特征在于，由m×n个吸波单元1组成，m和n是自然数，m>2，n>2，每个吸波单元1包括底层金属11及2×2个吸波片12，每个吸波片12均贴附在底层金属11上，每个吸波片12从上到下依次由顶层金属121、石墨烯层122及电介质层123贴附而成，每个吸波片12的石墨烯层122与底层金属11分别通过一个独立电源2连接。
每个吸波单元1上有四个吸波片12，且每个吸波片12的石墨烯层122与底层金属11分别通过一个独立电源2连接，因此，本石墨烯吸波器在调节施加在吸波片12上的电压大小从而调节吸波片12的吸波频段以外，还可以向不同的吸波片12施加大小不同的电压，从而使一个吸波单元1上的各个吸波片12的吸波带宽不同，从而实现提升吸波器带宽的目的。
需要注意的是，在具体实施时，独立电源2可以为单独设置的电源，此外，也可以为程控电源的不同端口，不同的端口可以输出不同的电压。
本发明的有益效果在于，电磁波无法穿过顶层和底层金属11，当电磁波被耦合到介质层和石墨烯层122时，将在底层和顶层金属121之间来回反射，最终以焦耳热的形式被吸收掉。石墨烯的介电常数可以通过偏置电压改变，因此在四块不同的石墨烯层122加偏置电压来实现对不同频率的电磁波的吸收，以此来实现动态调谐和增加吸波宽带的目的。与现有技术相比，该方案避免了石墨烯的资源消耗，使得每一个吸波单元1得到最大化的利用，大大增加了动态调节的范围以及对吸收带宽的拓展。
实施例2：
在实施例1的基础上，电介质层123的相对介电常数为εr=2、相对磁导率为μr=1。
电介质层123的材料可根据实际情况进行选取。
实施例3：
在实施例1的基础上，每个吸波单元1上的吸波片12的横截面积不同。
在同一个吸波单元1上采用不同横截面积的吸波片12，在调节施加在吸波片12上的电压时，可进一步的调节石墨烯吸波器可吸收的电磁波的频段。
实施例4：
在实施例1的基础上，吸波片12为正四边形块。
将吸波片12做成正四边形块，既便于加工，也便于将吸波片12贴服在底层金属11上。
实施例5：
在实施例1的基础上，从所述吸波单元的左上角开始顺时针排列分别为第一吸波片、第二吸波片、第三吸波片及第四吸波片，其中所述第一吸波片的电介质层厚度为0.46um，边长为2.3um，所述第一吸波片上的石墨烯层与底层金属间连接第一独立电源，所述第二吸波片的电介质层厚度为0.46um，边长为3.1um，所述第二吸波片上的石墨烯层与底层金属间连接第二独立电源，所述第三吸波片的电介质层厚度为0.46um，边长为1.9um，所述第三吸波片上的石墨烯层与底层金属间连接第三独立电源，所述第四吸波片的电介质层厚度为0.46um，边长为2.7um，所述第四吸波片上的石墨烯层与底层金属间连接第四独立电源，所有石墨烯层的厚度为1nm。
每个吸波单元1上设置四块尺寸不同的吸波片12，在提升石墨烯吸波器带宽的同时，也保证了每个吸波单元1的制造成本不会过高，采用这种结构的吸波单元1组成的石墨烯吸波器，并通过独立电源2向吸波片12施加适当的电压，在13.6-22thz可以达到90%以上的吸收率，超过90%的吸收率带宽达到13.7thz。
实施例6：
在实施例1的基础上，顶层金属121及底层金属11为金。
优选地，底层金属11层厚度为0.2um和顶层金属121层厚度为0.1um。
在所考虑的频段范围，入射波在金属中的趋肤深度为70nm，因此厚度为0.2um的底层金属11能够有效的防止电磁波透射过吸波器。顶层和底层金属11的目的在于将耦合到介质层和石墨烯层122的不同频率电磁波束缚在介质层和石墨烯层122内，并最终使其以焦耳热的形式在石墨烯层122被吸收。
实施例7：
在实施例1的基础上，每个吸波单元1的底层金属11为边长为10um的正四边形块。
为适应吸波片12的大小并保证在一定的面积内设置尽可能多的吸波片12从而增强石墨烯吸波器的吸波效果，因此在该频段每个吸波单元1的底层金属11选用边长为10um的正四边形块为宜，当需要吸收低频些的电磁波时候，可以扩大该边长，反之减小。
在本实施例中，吸波片12的边长和厚度与所要吸收的电磁波的中心频率有关。
本发明还公开了一种带宽及吸收频段可调的石墨烯吸波器的吸波调节方法，此处的带宽及吸收频段可调的石墨烯吸波器为上述任意一个实施例中的带宽及吸收频段可调的石墨烯吸波器，本方法包括如下步骤：
获取需要吸收的电磁波的频段信息；
调用与频段信息相匹配的电压控制方案；
控制独立电源2按照电压配置方案向吸收单元1施加电压。
不同的吸波频段有不同的电压控制方案，电压控制方案可存储在专用的存储器中，当知道需要吸收的电磁波的频段信息后，可以调用与此频段信息相匹配的电压控制方案，并以此电压控制方案控制独立电源2向吸波单元1施加电压，从而使本发明公开的带宽及吸收频段可调的石墨烯吸波器可以满足不同频段的吸波要求，上述步骤可以通过程序自动控制，从而通过数字调控电压的输出电压就可以自动达到目的。
为进一步优化上述带宽及吸收频段可调的石墨烯吸波器的吸波调节方法，电压控制方案的生成方法包括：
控制独立电源2向吸波单元1上不同的吸波片12的石墨烯层122与底层金属11间施加不同的电压；
记录独立电源2施加电压时带宽及吸收频段可调的石墨烯吸波器的吸波频段；
基于吸波频段及与之匹配的电压生成电压控制方案。
每个吸波单元1有四个吸波片12，每个吸波片12的石墨烯层122均与底层金属11都通过一个独立电源2连接，控制独立电源2向吸波单元1上不同的吸波片12的石墨烯层122与底层金属11间施加不同的电压，即，一个吸波单元1上四个吸波片12的石墨烯层上的电压相同或不同，但是不同的吸波单元1上位置相同的吸波片12的石墨烯层122的电压是相同的。不同的电压施加情况，带宽及吸收频段可调的石墨烯吸波器可吸收的电磁波的频段是不同的，根据此电压施加情况及吸收的电磁波的频段的情况生成吸收此频段的电磁波的电压控制方案。通过大量的实验可以得多不同吸收频段的电压控制方案，当需要吸收某个频段的电磁波时，只需要调用相应的电压控制方案对独立电源2进行控制即可。
控制独立电源2向吸波单元1上不同的吸波片12的石墨烯层122与底层金属11间施加不同的电压时，具体的操作方法可为：
以第一调节值在粗调范围内分别对吸波单元1的每个独立电源2进行调节；
基于调节过程中吸波单元1的吸波带宽及吸波频段选取每个独立电源2的精调范围；
以第二调节值在精调范围内分别对吸波单元1的每个独立电源2进行调节；
基于调节过程中吸波单元1的吸波带宽及吸波频段选取每个独立电源2的电压；
通过对每个独立电源2的电压进行调节并根据吸波带宽及吸波频段最终确定独立电源2施加在吸波片12的石墨烯层122上的电压，可以实现石墨烯吸波器性能的最优化，提升石墨烯吸波器的带宽以及吸收能力。此外，通过粗调及精调两次调节，可有效减少调节次数，提高调节效率。在进行电压的调节时，可实时监测吸波频段及带宽的变化以及吸波效率，从而选择在需要吸收的电磁波的频段吸波效率较好的精调范围以及最终的电压，从而生成与此吸波频段对应的电压控制方案。
从吸波单元1的左上角开始顺时针排列分别为第一吸波片1201、第二吸波片1202、第三吸波片1203及第四吸波片1204，其中第一吸波片1201的电介质层123厚度为0.46um，边长为2.3um，第一吸波片1201与第一独立电源21连接，第二吸波片1202的电介质层123厚度为0.46um，边长为3.1um，第二吸波片1202与第二独立电源22连接，第三吸波片1203的电介质层123厚度为0.46um，边长为1.9um，第三吸波片1203与第三独立电源23连接，第四吸波片1204的电介质层123厚度为0.46um，边长为2.7um，第四吸波片1204与第四独立电源24连接；以这种结构的带宽及吸收频段可调的石墨烯吸波器为例：
第一调节值为0.25ev，粗调范围为0ev~1ev，第二调节值为0.05ev，第一独立电源21的精调范围为0ev~0.25ev，电压为0.125ev，第二独立电源22的精调范围为0.25ev~0.5ev，电压为0.375ev，第三独立电源23的精调范围为0.5ev~0.75ev，电压为0.625ev，第四独立电源24的精调范围为0.75ev~1ev，电压为0.875ev。
采用这种结构的吸波单元1组成的石墨烯吸波器，并通过独立电源2向吸波片12施加适当的电压，在13.6-22thz可以达到90%以上的吸收率，超过90%的吸收率带宽达到13.7thz。
采用上述尺寸规格的吸波单元1进行实验：
吸收率定义为a=1-r-t=1-|s11|2-|s21|2，式中t为归一化透射波，r为归一化反射波，s21表示传输系数。为了使吸收率最大化，要求在整个频率范围内反射波与透射波尽可能的小。由于底层金属11用于阻断和反射电磁波，透射波为零，故吸收率为a=1-r。故在图3、图4、图5、图6中，用归一化反射率s11的强度来表示本实施例吸波器对于电磁波的吸收情况，即某波段反射波s11强度越低，本实施例吸波器对于该波段电磁波吸收情况越好。
图3、图4、图5为本实施例的软件仿真结果。图3是电磁波垂直入射时归一化反射波s11的强度情况，仿真结果显示，在22.02thz至36.61thz频段归一化反射波的强度均在-10db以下，并且分别在频率24.25thz,26.55thz,28.85thz和35.08thz处存在着吸收峰。图4、图5均为探究偏振对于本实施例吸波单元1吸波特性的影响，定义θ为入射波与入射平面的夹角，定义φ为入射方向与角度不变时电场偏转角度。图4是入射波垂直入射时φ发生变化，归一化反射波s11强度的情况，仿真结果显示，对于φ的变化反射波谱变化不是很明显，这是因为本实施例吸波单元1的不对称结构。图5是入射角度θ发生变化时，归一化反射波s11强度的情况。仿真结果显示，在θ=10°的情况下-10db的反射带宽还可以保持，但随着θ的增大反射带宽变得越来越狭窄，这是由于当θ超过10°时磁场将不能有效的在两金属层之间驱使环形电流从而无法影响磁谐振。图5中曲线相较于图3中曲线有较大变化，可见θ的变化对于本实施例吸波器吸波情况有较大影响，但本实施例吸波器可以通过调节在石墨烯层122添加不同偏置电压组合，从而改善该实施例吸波器对于不同频段电磁波的吸收能力。
图6为本实施例的软件仿真结果，图中曲线编号表示在石墨烯层122添加不同偏置电压组合。不同编号所对应的电压组合及其对应的吸收率超过90%的吸收频带如图6所示，其中μc1表示第一吸波片1201的石墨稀层所加偏置电压，μc2表示第二吸波片1202的石墨稀层所加偏置电压，μc3表示第三吸波片1203的石墨稀层所加偏置电压，μc4表示第四吸波片1204的石墨稀层所加偏置电压，而施加在各吸波片12上的电压有非常多的组合，无法一一列举，故选取四种较有代表性的情况进行展示说明。选取其中两组进行比较，可以发现,当μc1=0.1ev,μc2=0.2ev,μc3=0.4ev和μc4=0.4ev时,低于-10db的部分带宽大约达到12.88太赫兹，峰值位置在29太赫兹。然而,当无偏差电压负载在第一吸波片1201、第二吸波片1202及第四吸波片1204,只有μc3=0.4ev时,工作带宽变得狭窄。同时，反射的幅度也在增加。这说明施加不同的电压在各吸波片12上时，带宽等因素都会因此改变。如图6所示，在仅仅施加四组不同电压的情况下，该实施例吸波器对于22.02thz至36.61thz频段电磁波吸收有较大改善，在更多电压组合下，该实施例吸波器对于其他频段电磁波吸收也将得以改善，解决了原有技术中吸收带宽和动态调谐不足的问题。
本实施例提供的方案还可以通过改变每个吸波片12的结构参数，也即电介质层的边长和厚度来调节吸波器的吸收频段，使其满足对特定频段的吸收特性的需求。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。