基于石墨烯的超宽带太赫兹吸波器研究

Stealth technology is of great importance and values in reducing the radar cross section and improving the survivability of the target aircraft. Absorber is one of the most important structures in stealth technology. In order to enhance the stealth capability of the target in feature terahertz (THz) radar systems, this project plans to study the ultra-wideband (UWB) THz absorbers based on graphene in three aspects: 1) the research on the UWB THz absorbers electromagnetic modeling, which is developed by multi-layered or local non-periodic graphene. These absorbers can cover over ultra wide frequency band directly, also they can strongly absorb incoming wave at any frequency in the range of the ultra wide frequency band. Furthermore, these absorbers have the advantages of insensitivity to the polarization of the incident wave and easy to form the targets; 2) the derivation of the new propagation matrix method and the reveal of the absorption mechanism. The mechanism of the constructed absorbers is revealed by multi-resonance theory, interference theory and spatial impedance matching theory, which are calculated analytically by a universal theoretical method of the proposed propagation matrix algorithm; 3) the experimental research on verification based on THz-TDS. The results of measurement, simulation and theoretical method are compared and analyzed, and then the reliability of research is verified. The ultimate aim is to construct an organic system of the study on the UWB THz absorber based on graphene, which can provide a scientific approach for the future design of stealth target in terahertz band.

隐身技术对降低目标RCS和提高其生存能力具有重要意义，而在目标表面共形吸波器结构是一种重要隐身手段。本项目基于石墨烯研究超宽带的太赫兹吸波器，对增强目标在未来太赫兹雷达系统下的隐身性能具有重要的科学意义。1）利用石墨烯设计多层或局部非周期结构，开展超宽带太赫兹吸波器电磁建模——构建的吸波器可直接覆盖超宽频带，也可对该超宽频带内任意特定频率进行重点吸收，且具有对极化不敏感和便于与目标共形的特点；2）研究吸波机理及分析方法——推导新的传播矩阵法，形成一种分析平面型吸波器通用的理论方法，并结合多谐振、空间阻抗匹配及干涉等原理揭示构建的吸波器超宽带吸波机理；3）吸波性能验证实验研究——基于太赫兹时域光谱系统对吸波器超宽带性能进行实验测试，并与模拟仿真、理论方法等结果对比，验证结果的可靠性。通过系列研究，形成基于石墨烯的超宽带太赫兹吸波器研究的完整体系，为未来太赫兹波段隐身目标设计开辟一条科学途径。

太赫兹吸波器在目标隐身、THz测量、成像抑制等方面有重要的应用价值，但传统的吸波器一旦成品，性能固定，无法根据需要调节。以石墨烯为代表的二维材料，具有场效应特性，表面电导率会随着外加偏置的不同而变化，为兼具超宽频带直接覆盖和在此超宽频带内自由调节到某些重点频率并高效吸波的太赫兹吸波器研究与设计开辟了一条技术途径。. 本项目开展基于石墨烯等二维材料的超宽带太赫兹吸波器电磁建模，并结合构建的电磁模型研究了吸波器的吸波机理及分析方法，以及对吸波器的吸波性能开展了验证性实验研究。在基于超结构吸波器及其电磁特性方面，发表涉及磷烯超结构的吸波器研究论文是率先把基于磷烯的超结构概念用于吸波器研究与设计的尝试，拓展了超材料的研究范围，其阐明了极化不敏感器件设计方法；在Optics Express 26(19): 24403 (2018)论文中，提出广义干涉法，用于解决基于层状结构的吸波器电磁特性理论分析问题；在基于石墨烯微结构的THz吸波器设计、加工及可调谐性能实验测试方面，发表在Optics Letters 成果是较早开展基于石墨烯微结构的器件加工与实验测试的报道，突破了石墨烯微结构THz器件加工与实验测试瓶颈。. 提出的超宽频带直接覆盖的极化不敏感太赫兹吸波器电磁建模的方法，采取不影响应用载体的气动力学性能的平面结构形式，使构建的吸波器不需经过调谐频段的间接途径实现超宽带性能；提出的用于验证结果可靠性的连分数方法和揭示吸波器吸波机理的广义干涉相消，对发展补充用于吸波器分析的理论性方法和手段具有重要的科学意义；开展的基于石墨烯的太赫兹吸波器超宽带吸波特性的验证性实验，形成了一套基于石墨烯的吸波器完整的研究体系，为构建的吸波器模型未来应用提供重要的数据支撑，也为吸波器吸收性能和理论方法的可靠性提供科学依据。