[论文解读] 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 6

一句话总结

本文提出了一种低剖面、可动态调谐的微波吸波器，集成了石墨烯夹层结构（GSS）与高阻抗表面（HIS），通过外部偏置电压在11.2 GHz处实现从50%到99.9%的吸收率（反射系数从>-3 dB到<-30 dB）。该2.8 mm厚的吸波器工作在接近工作波长十分之一的厚度下，实验结果验证了全波仿真结果，并通过改进的等效电路模型解释了其可调吸收机制。

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.

研究动机与目标

• 设计一种低剖面、可动态调谐的微波吸波器，用于电磁干扰抑制与雷达隐身的实际应用。
• 通过实现实时、电压可调谐的宽动态范围吸收，克服固定带宽吸波器的局限性。
• 利用大面积石墨烯的可调导电性与高阻抗表面的阻抗匹配特性，提升吸波性能。
• 开发物理可实现的原型，并通过仿真与电波暗室测量验证其性能。

提出的方法

• 吸波器将石墨烯夹层结构（GSS）与高阻抗表面（HIS）结合，以实现阻抗匹配与可调吸收。
• 提出改进的等效电路模型以解释吸收机制，该模型纳入了外部偏置下石墨烯表面阻抗的可调特性。
• GSS由两层石墨烯通过介电间隔层分隔构成，可通过施加门电压实现表面电导率的动态调控。
• 采用全波电磁仿真优化结构，并预测工作频带内的吸收性能。
• 使用大面积石墨烯制作物理原型，并在电波暗室中进行测量，以验证仿真结果。
• 实验设置将实测反射系数与仿真数据进行对比，以确认其可调性与吸收效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在微波频段利用石墨烯与HIS结构实现具有超宽带可调吸收特性的低剖面吸波器？
• RQ2 外部偏置电压的施加如何影响石墨烯-HIS复合结构的吸收性能？
• RQ3 改进的等效电路模型在多大程度上能准确预测所提出吸波器的可调吸收行为？
• RQ4 在厚度（2.8 mm）与工作波长（30 mm）的对比下，该吸波器的剖面与性能表现如何？
• RQ5 全波仿真与电波暗室实验测量结果之间的一致性如何？

主要发现

• 该吸波器在11.2 GHz处实现动态可调的反射系数，范围从>-3 dB到<-30 dB，对应吸收率从50%提升至99.9%。
• 吸波器整体厚度仅为2.8 mm，约为工作波长（30 mm）的1/10，证实其低剖面设计。
• 电波暗室中的实验测量结果与全波仿真结果高度一致，验证了设计与模型的准确性。
• 改进的等效电路模型成功解释了可调吸收机制，准确捕捉了石墨烯层在电压依赖下的阻抗行为。
• 原型在不同偏置电压下表现出稳定且可重复的调谐性能，证实大面积石墨烯在可调谐微波吸波器中的可行性。
• GSS与HIS的集成实现了有效的阻抗匹配与宽带吸收，使其适用于雷达与EMI屏蔽等实际应用。