基于石墨烯的通带可开关频率选择表面及其实现方法

1.本发明涉及的是一种太赫兹通信领域的技术，具体是一种基于孔径耦合石墨烯谐振器的通带可开关频率选择表面。


背景技术：

2.在无线通信系统中，频率选择表面(fss)可以用作雷达天线罩使用，允许特定频段电磁波的接收和发射，即特定频段的电磁波无法进行发射或接收，这种情况下需要使用通带可开关的频率选择表面作为天线罩。
3.然而，现有的可开关频率选择表面的缺陷和不足在于：现有的可开关频率选择表面大多基于二极管的正向导通和反向截止特性设计，且大多工作于微波频段。二极管的尺寸和截止频率限制了这种设计思路在高频段的应用，例如，在太赫兹频段，电磁波的波长较短，甚至小于二极管自身尺寸，无法使用二极管实现可开关的太赫兹频率选择表面。
4.另一方面，石墨烯是一种由碳原子构成的原子厚度蜂窝状二维材料，具有表面电导率可调谐的优越电磁特性。石墨烯的电化学势较低时呈现高阻状态，电化学势较高时则呈现低阻状态，通过对石墨烯施加直流电压偏置，可改变载流子浓度进而改变电化学势，实现电导率的变化。因此，可将石墨烯材料用于可开关频率选择表面的设计与实现当中，目前尚无石墨烯可开关频率选择表面的报导。


技术实现要素：

5.本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于石墨烯的通带可开关频率选择表面及其实现方法，依据孔径耦合谐振器(acr)基本理论，所设计的频率选择表面工作于太赫兹频段，且具有通带工作状态可开关的优点。
6.本发明是通过以下技术方案实现的：
7.本发明涉及一种基于孔径耦合石墨烯谐振器的太赫兹通带可开关频率选择表面，包括：由内而外对称设置于金属结构层两侧的介质层和金属
‑
石墨烯混合结构谐振器阵列层。
8.所述的金属
‑
石墨烯混合结构谐振器阵列层为若干采用金属
‑
石墨烯混合结构加工工艺得到的基本单元排列组成，具体为末端加载石墨烯矩形片的金属
‑
石墨烯混合十字形结构。
9.所述的金属结构层上周期性设置圆孔组，该圆孔组包括四个圆孔且圆孔的位置与金属
‑
石墨烯混合结构谐振器阵列层中石墨烯矩形片的位置对应，当电磁波进入一侧金属
‑
石墨烯混合结构谐振器阵列层后激发电磁谐振，电场分布在沿着极化方向的金属
‑
石墨烯混合十字形结构谐振器的两端，十字形谐振器通过末端的石墨烯片产生耦合，电磁波透过中间层结构上的圆形孔径、上层和介质层到达另一侧金属
‑
石墨烯混合结构谐振器阵列层，十字形谐振器辐射出电磁波。
10.所述的基于孔径耦合石墨烯谐振器的通带可开关频率选择表面，通过金属
‑
石墨
烯混合结构加工工艺实现，包括以下步骤：
11.步骤1、在作为临时载片的基片上旋涂临时键合胶并烘烤得到均匀涂层；
12.步骤2、在带有涂层上表面完成底层金属
‑
石墨烯混合结构谐振器阵列中金属图案的加工；
13.步骤3、旋涂填充介质并烘烤，抛光打磨至露出金属图案表面；
14.步骤4、转移整层石墨烯，并完成底层金属
‑
石墨烯混合结构谐振器阵列中石墨烯图案的加工；
15.步骤5、旋涂介质层薄膜并烘烤，从而得到介质层；
16.步骤6、在介质层上表面制备均匀的金属，并完成中间金属结构的图形化；
17.步骤7、旋涂介质层薄膜并烘烤，从而得到介质层；
18.步骤8、在介质层上表面完成顶层金属
‑
石墨烯混合结构谐振器阵列中金属图案的加工；
19.步骤9、旋涂填充介质并烘烤，抛光打磨至露出金属图案表面；
20.步骤10、转移整层石墨烯，并完成顶层金属
‑
石墨烯混合结构谐振器阵列中石墨烯图案的加工；
21.步骤11、旋涂介质薄膜并烘烤，作为石墨烯图案保护层；对临时键合胶进行解键合，将制备的频率选择表面从临时载片上取下。技术效果
22.本发明整体解决了现有技术的工作在微波频段等较低频段、无法利用温度实现性能调节不利于系统的稳定工作的缺陷。与现有技术相比，本发明在太赫兹频段基于孔径耦合理论实现了通带状态可开关的频率选择表面。由于石墨烯具有的独特电可调性质，在给石墨烯施加外加电场偏置时，石墨烯的电化学势和表面电导率发生变化，使孔径耦合的强度发生变化，由此使频率选择表面的通带工作状态具有可调控性。并且提出了金属
‑
石墨烯混合结构加工工艺以确保所提出的可重构频率选择表面的加工实现可行性。
附图说明
23.图1为本发明的整体结构示意图；
24.图2为本发明中的顶层金属
‑
石墨烯混合结构谐振器阵列1和底层金属
‑
石墨烯混合结构谐振器阵列5的局部放大图；
25.图3为本发明中的中层金属结构3的局部放大图；
26.图4为本发明中的顶层金属
‑
石墨烯混合结构谐振器阵列1和下层金属
‑
石墨烯混合结构谐振器阵列5的基本组成单元11结构示意图；
27.图5为本发明中的中层金属结构3的基本单元31结构示意图；
28.图6为本发明中提出的金属
‑
石墨烯混合结构加工工艺流程示意图；
29.图7为本发明中基于孔径耦合石墨烯谐振器的通带可开关频率选择表面的等效电路；
30.图8为本发明基于孔径耦合石墨烯谐振器的通带可开关频率选择表面在关断状态(化学式为0.1ev)下反射系数以及传输系数的全波仿真结果与等效电路计算结果的拟合情况；
31.图9为本发明基于孔径耦合石墨烯谐振器的通带可开关频率选择表面在导通状态(化学式为1ev)下反射系数以及传输系数的全波仿真结果与等效电路计算结果的拟合情况；
具体实施方式
32.本实施例基于石墨烯的孔径耦合谐振器频率选择表面具有多层结构，上下两层为完全相同的金属
‑
石墨烯混合结构谐振器，它们之间通过中间层的孔径产生耦合，根据耦合拓扑，两层谐振器通过中间的孔径可以产生电耦合与磁耦合。其中：孔径的位置决定了占主导的是电耦合还是磁耦合。
33.考虑到石墨烯的特性，本发明在耦合孔径处加载了石墨烯，当调节石墨烯的电化学势时，石墨烯的电导率会发生变化，石墨烯上分布的电场也会发生变化，因此上下两层的耦合以及上下层与耦合孔径的耦合强度会随之变化。
34.综上所述，通过在耦合孔径处加载石墨烯，改变石墨烯的外加偏置电压实现石墨烯的电化学势的变化可以控制耦合的强度，进而实现所设计的孔径耦合频率选择表面频响特性中通带的开和关。
35.根据耦合滤波器理论，孔径耦合结构可以产生窄带的频率响应。通带内可以产生两个传输零点，其中：一个传输零点由谐振器本身的谐振导致，另一个传输零点则由谐振器与孔径的耦合作用产生。
36.可以利用等效电路更好地对孔径耦合频率选择表面的内在机理进行分析。在等效电路中，上层与下层的金属
‑
石墨烯混合结构谐振器由两路l0+l
g
、r0+r
g
和c0串联谐振电路表示，其中：l0为谐振器金属部分电感，l
g
为谐振器石墨烯部分电感，r0为谐振器金属部分电阻，r
g
为谐振器石墨烯部分电阻，c0为谐振器金属部分电容；中层的耦合孔径由等效孔径电感l
a
、孔径电阻r
a
和孔径电容c
a
并联谐振电路表示；耦合孔径和谐振器之间的介质则由两段短传输线表示，其波阻抗为其中：ε
r
为介质的相对介电常数。在本发明中，孔径位于金属
‑
石墨烯混合十字形结构谐振器的尾部即电场较大位置，由孔径产生的谐振器之间的电耦合用互电容c
m
表示，两层谐振器之间的磁耦合可以忽略。谐振器和孔径本身之间的耦合则由耦合电容c
m1
和耦合电感l
m1
表示。输入信号最多可由两条路径到达输出端，分别为透过孔径直接耦合传输，以及先经上层谐振器与孔径耦合再耦合到下层谐振器。相较于直接电耦合c
m
，c
m1
和l
m1
对耦合的贡献可以忽略，令c
m1
＝0，l
m1
＝0，即直接耦合占主导。
37.由于等效电路具有对称性，介质较薄导致等效传输线的电长度较小且表征耦合孔径的l
a
和c
a
对谐振频率的影响可忽略，基于奇偶模理论计算得到两个谐振频率分别为可以看出，奇模谐振频率f
o
与l0、l
g
和c0相关，不受c
m
的影响；而偶模谐振频率f
e
随着互电容c
m
的增加而升高。因此，根据滤波器理论，可以对耦合孔径进行设计，控制电耦合的大小来调节偶模谐振频率，从而得到所需的频率响应特性。
38.石墨烯的电化学势通常可在0～1ev之间进行调节。本发明通过对石墨烯电化学势的调节改变等效电感与电容参数，进而实现对频率选择表面通带开关状态的控制。本发明取两种状态，其中：0.1ev代表石墨烯处于高阻状态，此时孔径耦合强度较低，频率选择表面
的通带处于关断状态；而1ev代表石墨烯处于低阻状态，此时孔径耦合强度较高，频率选择表面的通带处于导通状态。
39.如图1所示，为本实施例涉及一种基于孔径耦合石墨烯谐振器的太赫兹通带可开关频率选择表面，可应用于太赫兹频段无线通信和雷达探测等系统，其具体包括：由内而外对称设置于金属结构层3两侧的介质层2、4和金属
‑
石墨烯混合结构谐振器阵列层1、5。
40.如图2所示，所述的金属
‑
石墨烯混合结构谐振器阵列层1、5均为若干基本单元11排列组成，该长方体单元采用金属
‑
石墨烯混合结构加工工艺得到。
41.所述的周期排列，周期为140μm。
42.如图4所示，所述的基本单元11具体为末端加载石墨烯矩形片的金属
‑
石墨烯混合十字形结构，包括：金属图案111以及石墨烯图案112。
43.所述的金属图案111为十字形结构，金属十字的长度为90μm，宽度为10μm。
44.所述的石墨烯矩形片分别位于金属图案111的四个末端，石墨烯矩形片长为20μm，宽为5μm。
45.所述的介质层为低介电常数低损耗的介质薄膜，其材质优选为苯并环丁烯(bcb)，相对介电常数为2.65，厚度为10μm。
46.如图3所示，所述的金属结构层3上周期性设置圆孔组，圆孔组的间隔为140μm。
47.如图5所示，所述的圆孔组包括四个圆孔，该圆孔的位置与金属
‑
石墨烯混合结构谐振器阵列层中石墨烯矩形片的位置对应，圆孔的直径优选为13μm。
48.如图6所示，本实施例涉及上述基于孔径耦合石墨烯谐振器的太赫兹通带可开关频率选择表面，通过以下方式制备得到：
49.步骤1、如图6a所示，准备一片基片作为临时载片，一般为高阻硅衬底；
50.步骤2、如图6b所示，在临时载片上旋涂临时键合胶，烘烤固化得到完整均匀的涂层；
51.步骤3、如图6c所示，将金属掩模版置于带有涂层的临时载片上，使用电子束蒸发工艺，得到底层金属
‑
石墨烯混合结构谐振器阵列中的金属图案，一般为铜膜或者镍膜；
52.步骤4、如图6d所示，旋涂填充材料并烘烤固化，再抛光打磨至露出金属图案的上表面；
53.步骤5、如图6e所示，使用聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)辅助湿法转移工艺，将整片石墨烯转移到金属图案上方；
54.步骤6、如图6f所示，在样品上旋涂光刻胶，放置铬掩模版对光刻胶进行曝光以及显影处理，得到图形化的光刻胶；
55.步骤7、如图6g所示，将样品放入反应炉中，使用反应离子刻蚀(rie)工艺，刻蚀掉部分pmma以及石墨烯，洗去剩余的光刻胶，得到底层金属
‑
石墨烯混合结构谐振器阵列中的石墨烯图案；
56.步骤8、如图6h所示，旋涂bcb胶，烘烤到190℃固化，得到介质层；
57.步骤9、如图6i所示，使用电子束蒸发工艺，得到完整均匀的金属膜，一般为铜膜或者镍膜；
58.步骤10、如图6j所示，在金属膜上放置硬掩模版，使用rie工艺在金属膜上刻蚀出特定尺寸的孔径，得到中间金属结构；
59.步骤11、如图6k所示，旋涂bcb胶，烘烤到190℃固化，得到介质层；
60.步骤12、如图6l所示，将金属掩模版置于基片上，使用电子束蒸发工艺，得到顶层金属
‑
石墨烯混合结构谐振器阵列中的金属图案，一般为铜膜或者镍膜；
61.步骤13、如图6m所示，旋涂填充材料并烘烤固化，再抛光打磨至露出金属图案的上表面；
62.步骤14、如图6n所示，使用pmma辅助湿法转移工艺将整片石墨烯转移到金属图案上；
63.步骤15、如图6o所示，在样品上旋涂光刻胶，放置铬掩模版对光刻胶进行曝光以及显影处理，得到图形化的光刻胶；
64.步骤16、如图6p所示，将样品放入反应炉中，使用rie工艺，刻蚀掉部分pmma以及石墨烯，洗去剩余的光刻胶，得到顶层金属
‑
石墨烯混合结构谐振器阵列中的石墨烯图案；
65.步骤17、如图6q所示，在样品上旋涂pmma并烘烤固化，得到保护层；
66.步骤18、如图6r所示，将样品加热到235℃对临时键合胶进行热解键合，将频率选择表面从临时载片上取下，完成制备。
67.当电磁波进入一侧金属
‑
石墨烯混合结构谐振器阵列层后激发电磁谐振，电场分布在沿着极化方向的金属
‑
石墨烯混合十字形结构谐振器的两端，孔径两侧的十字形谐振器通过末端的石墨烯片产生耦合，电磁波透过中间层结构上的圆形孔径、上层和介质层到达另一侧金属
‑
石墨烯混合结构谐振器阵列层，十字形谐振器辐射出电磁波。
68.由于石墨烯具有电可调节特性，当调节石墨烯的电化学势时，石墨烯的表面电导率会发生变化，石墨烯矩形片上分布的电场分布会发生变化，顶层和底层十字形谐振器之间的耦合强度会随之变化。简单来说，改变石墨烯的外加偏置电压实现石墨烯的电化学势变化可以控制耦合强度，进而实现对通带开关工作状态的控制。当电化学势为1ev时，石墨烯矩形片处于低阻状态，靠近耦合孔径处的电场分布较强，频率选择表面工作于导通状态；当电化学势为0.1ev时，石墨烯矩形片处于高阻状态，靠近耦合孔径处的电场分布较弱，电磁波难以通过中层金属结构上的孔径耦合过去，频率选择表面处于关断状态。
69.如图7所示，为本实施例基于孔径耦合石墨烯谐振器的通带可开关频率选择表面的等效电路图，其中：c
a
为孔径电容，l
a
为孔径电感，r
a
为孔径电阻，c0为谐振器金属部分电容，l0为谐振器金属部分电感，r0为谐振器金属部分电阻，l
g
为谐振器石墨烯部分电感，r
g
为谐振器石墨烯部分电阻，c
m
为耦合电容；l
m1
和c
m1
分别是谐振器和孔径本身之间的耦合电容和耦合电感，可忽略。
70.如图8所示，为本实施例基于孔径耦合石墨烯谐振器的通带可开关频率选择表面在石墨烯高阻状态下反射系数与传输系数的等效电路计算结果与全波仿真结果对比图。
71.可以发现，等效电路计算与全波仿真结果吻合良好，对于所述孔径耦合石墨烯谐振器的通带可开关频率选择表面通带关断状态的等效电路而言，其孔径电容c
a
的数值为0.0177pf，孔径电感l
a
的数值为0.9783ph，孔径电阻r
a
的数值为0.3977ω，谐振器金属部分电容c0的数值为0.34ff，谐振器金属部分电感l0的数值为81.84ph，谐振器石墨烯部分电感l
g
的数值为51.05ph，谐振器总电阻即r0及r
g
总和为106.89ω，耦合电容c
m
的数值为9.452af。
72.如图9所示，为本实施例基于孔径耦合石墨烯谐振器的通带可开关频率选择表面
在石墨烯低阻状态下反射系数与传输系数的等效电路计算结果与全波仿真结果对比图。
73.可以发现，等效电路计算与全波仿真结果吻合良好，对于所述孔径耦合石墨烯谐振器的通带可开关频率选择表面通带导通状态的等效电路而言，其孔径电容c
a
的数值为0.1287pf，孔径电感l
a
的数值为0.138ph，孔径电阻r
a
的数值为0.0564ω，谐振器金属部分电容c0的数值为0.34ff，谐振器金属部分电感l0的数值为81.84ph，谐振器石墨烯部分电感l
g
的数值为5.16ph，谐振器总电阻即r0及r
g
总和为2.164ω，耦合电容c
m
的数值为13.71af。
74.对比所述孔径耦合石墨烯谐振器的通带可开关频率选择表面通带导通与关断状态下的等效电路参数，可以发现，改变石墨烯的电化学势可以改变石墨烯的面阻抗，从而影响耦合强度以及孔径的等效电路参数，实现频响特性的调控。根据kubo公式计算，石墨烯在高阻状态和低阻状态下的理论感抗比值为9.89与等效电路计算得到的两种状态下的谐振器石墨烯部分电感l
g
比值一致。石墨烯特性的变化也会改变孔径的等效参数，但等效电路拟合得到的两种状态下的孔径电感l
a
与孔径电阻r
a
的比值即孔径自身的q值不受石墨烯阻值变化的影响。石墨烯特性变化时，孔径谐振频率基本保持不变，但电抗斜率参数受石墨烯状态影响较大。随着石墨烯从低阻状态切换到高阻状态，谐振器金属部分电容c0的数值保持0.34ff不变，但耦合电容c
m
的数值从13.71af减小为9.452af，即耦合系数从0.04减小为0.027；石墨烯电感l
g
显著增大，使金属
‑
石墨烯混合结构谐振器的谐振频率下降；石墨烯电阻r
g
显著增大，改变了金属
‑
石墨烯混合结构谐振器的电流分布，使q值显著降低，从而导致频率选择表面通带的关断。
75.通过上述实施例可见，所设计的基于孔径耦合石墨烯谐振器的通带可开关频率选择表面的通带中心频率为0.88thz，相对带宽为6.7％，导通状态的带内插入损耗为1.74db，带外抑制度大于30db，关断状态的带内插入损耗为35db，带外抑制度大于25db。
76.与现有技术相比，本实施例基于提出的金属
‑
石墨烯混合结构加工工艺，实现了基于孔径耦合石墨烯谐振器的通带可开关频率选择表面，在0.88thz实现了频率选择表面通带工作状态的开关特性。验证了石墨烯用于太赫兹频率选择表面的有效性和可行性，本实施例基于孔径耦合石墨烯谐振器的通带可开关频率选择表面中心频率为0.88thz，相对带宽为6.7％，开状态的带内插入损耗为1.74db，带外抑制度大于35db，关状态的带内插入损耗为35db，带外抑制度大于25db。
77.与现有技术相比，本发明在0.88thz实现了频率选择表面通带工作状态的开关特性。
78.上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。