[論文レビュー] A Low Profile Tunable Microwave Absorber based on Graphene Sandwich Structure and High Impedance Surface

Jin Zhang, Weibing Lu+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2019

Advanced Antenna and Metasurface Technologies参考文献 18被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、グラフェン・サンドイッチ構造（GSS）と高インピーダンス表面（HIS）を統合した低プロファイルで動的にチューナブルなマイクロ波吸収体を提案する。外部バイアス電圧を用いることで、11.2 GHzで50%から99.9%（反射は>-3 dBから<-30 dB）の吸収が達成される。2.8 mmの厚さで、動作波長のおよそ1/10のサイズであり、実験結果がフルウェーブシミュレーションと一致し、改良された等価回路モデルによりチューナブルな吸収メカニズムが説明されている。

ABSTRACT

In this paper, a low profile dynamically tunable microwave absorber is proposed, which consists of high impedance surface (HIS) and graphene sandwich structure (GSS). We theoretically demonstrate and experimentally verify that the proposed absorber can provide a dynamically tunable reflection range from larger than -3dB to less than -30 dB (corresponding to the absorption range from 50% to 99.9%) at opera-ting frequency of 11.2GHz by external bias voltage. The entire thickness of this absorber is only 2.8mm, nearly one tenth of working wavelength. In addition, a modified equivalent circuit model is proposed to explicate its absorption mechanism. At last, we fabricate a prototype absorber, and measure its absorption in anechoic chamber. The experimental results agree well with the full wave simulation results. This work may provide a reference for design and fabrication of dynamically tunable microwave absorber based on large-scale graphene and may promote the actual applications of graphene at microwave frequency.

研究の動機と目的

• 電磁干渉抑制およびレーダー・スティーリングの実用的応用を目的とした、低プロファイルで動的にチューナブルなマイクロ波吸収体の設計。
• 固定帯域幅の吸収体の限界を克服し、広い動的範囲でリアルタイムに電圧制御可能な吸収を実現すること。
• 大規模なグラフェンの可変導電率と高インピーダンス表面のインピーダンスマッチング特性を活用し、吸収性能を向上させること。
• 物理的に実現可能なプロトタイプの開発と、シミュレーションおよびアノイック・チェンバ測定による性能の検証。

提案手法

• インピーダンスマッチングとチューナブルな吸収を実現するため、グラフェン・サンドイッチ構造（GSS）と高インピーダンス表面（HIS）を統合した吸収体を構築した。
• 外部バイアス下でのグラフェンの可変表面インピーダンスを組み込んだ、改良された等価回路モデルを構築し、吸収メカニズムを説明した。
• GSSは、誘電体スペーサで分離された2枚のグラフェン層から構成され、ゲート電圧の印加により表面導電率を動的に制御可能である。
• フルウェーブ電磁界シミュレーションを用いて構造最適化と周波数帯域全体における吸収性能の予測を実施した。
• 大規模グラフェンを用いて物理的プロトタイプを製作し、アノイック・チェンバで測定することで、シミュレーション結果の妥当性を検証した。
• 実験的設定では、測定された反射係数とシミュレーションデータを比較し、チューナビリティおよび吸収効率の妥当性を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マイクロ波周波数帯で、グラフェンとHIS構造を用いた低プロファイルで、広帯域チューナブルな吸収を実現できるか？
• RQ2 外部バイアス電圧の印加が、グラフェン-HISハイブリッド構造の吸収性能にどのように影響するか？
• RQ3 改良された等価回路モデルは、提案された吸収体のチューナブルな吸収挙動をどれほど正確に予測できるか？
• RQ4 厚さ2.8 mmの吸収体が、動作波長30 mmと比較して、プロファイルと性能の面でどのような特徴を示すか？
• RQ5 アノイック・チェンバにおけるフルウェーブシミュレーションと実験測定の結果の一致度はどの程度か？

主な発見

• 外部バイアス電圧により、11.2 GHzで反射係数が>-3 dBから<-30 dBに変化し、吸収率が50%から99.9%に動的に制御可能である。
• 吸収体の全厚さは2.8 mmであり、動作波長（30 mm）のおよそ1/10に相当し、低プロファイル設計であることが確認された。
• アノイック・チェンバでの実験測定結果が、フルウェーブシミュレーションと良好に一致しており、設計とモデルの正確性が検証された。
• 改良された等価回路モデルは、グラフェン層の電圧依存インピーダンス挙動を捉えることで、チューナブルな吸収メカニズムを成功裏に説明した。
• プロトタイプは、さまざまなバイアス電圧下でも安定的かつ繰り返し可能なチューニング特性を示し、大規模グラフェンを用いたチューナブルなマイクロ波吸収体の実現可能性を裏付けた。
• GSSとHISの統合により、効果的なインピーダンスマッチングと広帯域吸収が実現され、レーダーおよびEMIシールド用途の実世界応用に適した性能を有している。