一种基于石墨烯磁电双可调的新型隔离器制造技术

本发明专利技术涉及一种基于石墨烯磁电双可调的新型隔离器，该隔离器由两个线栅偏振器(21)、(22)和三组法拉第旋转器(3)组成，其中线栅偏振器(2)由等间距的金属柱(8)平行排列而成，法拉第旋转器(3)主要由硅衬底(4)和二氧化硅(5)衬底以及单层石墨烯(6)构成，硅衬底(4)和单层石墨烯(6)之间连接有电压源(7)，偏置磁场垂通过法拉第旋转器(3)，隔离器的隔离方向由电压源(7)和偏置磁场控制；在工作频段内，该隔离器的具有隔离方向磁电双可调，隔离特性良好，功率容量大、结构紧凑和散热快等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于石墨烯磁电双可调的新型隔离器
本专利技术涉及一种应用于3G通信领域的基于石墨烯磁电双可调的新型隔离器，特别涉及石墨烯材料的应用。
技术介绍
隔离器的主要作用是将输入、输出和工作电源三者相互隔离，它广泛地应用在移动通信和测量等系统中。在基站和移动台系统中，隔离器用来实现收、发信机天线的共用(双工器或多工器)；在发射和接收系统中，隔离器用来隔离开关放大器、功率放大器的输入和输出信号；在测量系统中隔离器用来去除仪表和设备之间信号的互相干扰。常用的隔离器有法拉第旋转隔离器、场移式隔离器、谐振式隔离器、边导膜隔离器这几种，其中法拉第旋转式隔离器是最为常用于波导系统中，是利用电磁波在纵向磁化的铁氧体棒中传播时极化面产生旋转制成的隔离器，但是该隔离器的工作频带窄，结构较复杂，且功率容量低。石墨烯是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体，具有二维蜂窝状晶格结构，由一层密集的、包裹在蜂巢晶体点阵上的碳原子组成。石墨烯不仅具有独特的载流子特性和优良的电学性能，还是一种良好导热材料，也是目前所知的最硬的二维材料。自2004年Geim和Novoselov等以石墨为原料成功剥离出石墨烯以来，石墨烯便以其优良的电磁特性，成为了学术界研究的热点之一。近年来，D.L.Sounas和C.Caloz理论上证明了磁场偏置下石墨烯的法拉第法拉第旋转效应和非互易性，I.Crassee和J.Levallois对此进行了实验证明。近年来随着石墨烯制备技术的不断发展，适用于微波频段较大尺度的石墨烯薄片已经被成功制作出来，使得石墨烯在微波频段的应用成为可能，在微波器件领域大范围替代传统铁磁性材料和金属材料等方面具有广泛的应用前景。描述的应用于3G通信领域的基于石墨烯的新型隔离器工作在磁场偏置下，该隔离器由两个线栅偏振器和三组法拉第旋转器构成，其中法拉第旋转器由硅和二氧化硅的衬底以及单层石墨烯构成，其隔离方向可以通过改变磁场方向或者改变石墨烯上偏置电压的方向来改变，从而实现隔离器的磁电双可调。该隔离器在1.8-2.2GHz(3G通信)的工作频段内，其隔离度均在-70dB以下，在中心频率2GHz处，隔离度接近-72dB，具有良好的隔离特性。该隔离器不仅具有隔离方向可灵活控制的优点，而且具有功率容量大、结构紧凑和散热快等优点。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种应用于3G通信领域的基于石墨烯磁电双可调的新型隔离器，所述隔离器不仅具有隔离方向可灵活控制的优点，而且具有隔离特性良好、功率容量大、结构紧凑和散热快等优点。实现本专利技术的技术解决方案是：一种基于石墨烯磁电双可调的新型隔离器，该隔离器由两个线栅偏振器和三组法拉第旋转器组成，其中线栅偏振器由等间距的金属柱平行排列而成，两个线栅偏振器呈45°夹角放置，法拉第旋转器主要由硅衬底和二氧化硅衬底以及单层石墨烯构成，硅衬底和单层石墨烯之间连接有电压源，用来为单层石墨烯提供电压偏置，偏置磁场垂直通过法拉第旋转器。所述的单层石墨烯片构成的法拉第旋转器能使TE偏振的平面波近似无损耗地通过，所述的线栅偏振器能使电场方向垂直其金属柱的TE偏振的平面波近似无损耗地通过，使电场方向平行其金属柱的TE偏振的平面波被全反射。通过调整偏置磁场的方向或者改变单层石墨烯上偏置电压的方向，使经由不同端口入射的TE偏振的平面波的电场方向均发生总计45°或-45°的旋转，进而使线栅偏振器对经由不同端口入射的TE偏振的平面波形成不同的透射和反射效应，从而实现隔离方向的磁电双可调。本专利技术与现有技术相比，具体具有如下优点：1)隔离方向磁电双可调：隔离器的隔离方向可以通过调整偏置磁场的方向和单层石墨烯上偏置电压的方向而改变。2)结构紧凑：整个隔离器由层状介质组成，因此隔离器尺寸非常小。3)功率容量大：隔离器由金属材料和石墨烯组成，这两种材料均具有耐高温的特性。4)散热快：隔离器由金属材料和石墨烯组成，这两种材料均具有散热快的特性。附图说明图1为本专利技术基于石墨烯磁电双可调的新型隔离器，图2磁场偏置下，TE偏振的平面波垂直入射单层石墨烯，图3实例基于石墨烯磁电双可调的新型隔离器的隔离度以上图片中含有：1：信号输入/输出端口；2：线栅偏振器；3：起偏器；4：硅衬底；5：二氧化硅衬底；6：单层石墨烯；7：电压源；8：金属柱；9：信号输入/输出端口。具体实施方式为使本专利技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐明本专利技术。一种基于石墨烯磁电双可调的新型隔离器，该隔离器由第一线栅偏振器21、第二线栅偏振器22和三组法拉第旋转器3组成。线栅偏振器2由等间距的金属柱8平行排列而成，两个线栅偏振器呈45°夹角放置。法拉第旋转器3主要由硅衬底4、二氧化硅衬底5以及单层石墨烯6构成，硅衬底4和单层石墨烯6之间连接有电压源7，电压源7为单层石墨烯6提供电压偏置，偏置磁场垂直通过法拉第旋转器3。通过调整偏置磁场的方向和单层石墨烯6电压偏置的方向，使经由不同端口入射的TE偏振的平面波的电场方向均发生总计45°或-45°的旋转，进而使线栅偏振器对经由不同端口入射的TE偏振的平面波形成不同的透射和反射效应，从而实现隔离方向的磁电双可调。偏置磁场的方向和单层石墨烯6电压偏置的方向对透射三组拉第旋转器3的TE偏振的平面波的电场偏转角和隔离器的隔离方向的关系如下表所示：这里具体描述第一种情况：当金属柱8的直径和金属柱8之间的间距均远小于入射波长时，线栅偏振器2能使电场方向垂直其金属柱8的TE偏振的平面波近似无损耗地通过，使电场方向平行其金属柱8的TE偏振的平面波被全反射。在磁场偏置下，单层石墨烯6的法拉第旋转效应具体表现为：TE偏振的平面波沿-z方向垂直透射单层石墨烯6(如图2所示)后，其电场方向会发生偏转。当μc≥hω且μc≥kBT时，偏转角θ为：其中μc为化学势，为约化的普朗克常量，ωc为回旋加速频率，kB为波茨曼常数，T为温度，ωc为回旋加速频率τ为散射时间σ0为无偏置磁场下石墨烯的电导率ω为入射波频率，ns为载流子浓度，B0为磁场偏置，VF为费米速率，e为电子电量，μ为迁移率。在磁场偏置下，石墨烯的非互易性具体表现为：由式(1)得，当TE偏振的平面波沿+z方向垂直透射单层石墨烯6后，其电场的偏转角度仍为θ。由此可以计算得出，在μ＝10000cm2/Vs，ns＝1013cm-2，T＝300K的情况下时，当μc＝0.147eV，即电压源7为单层石墨烯6提供12V/nm的偏置电压，且B0＝0.385T时，单层石墨烯在1-3GHz频段内的法拉第旋转角θ近似为15°，所以垂直透射三组起偏器3的TE偏振平面波的电场将发生45°的偏转。此时，当TE偏振的平面波由信号输入/输出端口1入射时，其电场方向垂直于第一线栅偏振器21，如图1所示，该平面波顺利透射过第一线栅偏振器21；经过三组起偏器3后，该平面波电场的偏振方向将顺时针旋转45°，入射到线栅偏振器2时，由于平面波的电场方向垂于第二线栅偏振器22，平面波顺利通过第二线栅偏振器22。当TE偏振的平面波由信号输入/输出端口9入射时，其电场方向垂直于第二线栅偏振器22的金属柱8，如图1所示，平面波顺利透射过第二线栅偏振器22；经过三组起偏器3后，该平面波电场的偏振方向将顺时针旋转45°，入射到本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于石墨烯磁电双可调的新型隔离器，其特征在于该隔离器由两个线栅偏振器(21)、(22)和三组法拉第旋转器(3)组成，其中线栅偏振器(2)由等间距的金属柱(8)平行排列而成，法拉第旋转器(3)主要由硅衬底(4)和二氧化硅(5)衬底以及单层石墨烯(6)构成，硅衬底(4)和单层石墨烯(6)之间连接有电压源(7)，偏置磁场垂通过法拉第旋转器(3)，隔离器的隔离方向由电压源(7)和偏置磁场控制。

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯磁电双可调的新型隔离器，其特征在于，该隔离器由第一线栅偏振器(21)、第二线栅偏振器(22)和三组法拉第旋转器(3)组成，其中第一线栅偏振器(21)和第二线栅偏振器(22)由等间距的金属柱(8)平行排列而成，法拉第旋转器(3)主要由硅衬底(4)和二氧化硅(5)衬底以及单层石墨烯(6)构成，硅衬底(4)和单层石墨烯(6)之间连接有电压源(7)，偏置磁场垂直通过法拉第旋转器(3)，隔离器的隔离方向由电...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖丙刚，谢治毅，章东平，孙润亮，
申请(专利权)人：中国计量学院，
类型：发明
国别省市：浙江;33