基于石墨烯的磁可调法拉第旋转器制造技术

本发明专利技术涉及一种基于石墨烯的磁可调法拉第旋转器，其结构包括运用在微波频段的圆波导，在圆波导内垂直于微波信号传播方向的多层石墨烯模块，在圆波导外部套置的一个提供磁场偏置的螺线管模块三部分所构成。多层石墨烯模块是由内部平行排列的多片单层石墨烯片所构成的，螺线管模块可以通过控制电流的大小来控制外加偏置静磁场的强弱。在圆波导内部传输的TE11模式的电磁波，在具有磁场偏置的情况下电磁波透射通过石墨烯模块时会产生角度的偏转。本发明专利技术精确的实现了旋转角度在一定范围内可调，结构简单紧凑、体积较小、易于集成，控制简单，使用方便的法拉第旋转器。

【技术实现步骤摘要】
基于石墨烯的磁可调法拉第旋转器
本专利技术属于微波
使用的磁可调法拉第旋转器，特别涉及新材料石墨烯。
技术介绍
在微波系统中，旋转器的作用是将入射波经过旋转器的作用后旋转一个特定的角度，以得到工程上需要的一些特性，旋转器一般用作隔离器的核心部件，其性能会直接影响隔离器的性能优劣。对于有些对反射波极敏感的传输系统，如放大系统，非线性系统等，都需要法拉第旋转器。旋转器的核心部件就是能使电磁波产生角度偏转的材料，因此其材料的选择会直接影响到整个系统的工作性能。现今微波频段的旋转器一般以铁氧体等传统材料制作，当有外部磁场加到铁氧体介质上时，其磁导率可以看作是一张量，电磁波入射的时候，将会发生法拉第旋转效应，利用该特性能实现旋转的功能。该种旋转器一般可分为可调旋转器和不可调旋转器两类。不可调旋转器的工程要求较低，实现简单且能满足一定应用要求，此种旋转器的缺点是旋转角度固定无法改变。可调旋转器结构相对较为复杂，但能通过改变外部参量来控制旋转角度实现。传统的基于铁氧体的旋转器需要在圆波导内加载铁氧体棒和四分之一波长板，并外加磁场偏置。在磁场偏置下由于铁氧体的法拉第效应，产生一定的旋转角度。其结构相对比较复杂，体积也相应较大，制作工艺较为繁琐。石墨烯(Graphene)是一种只有一个碳原子厚度的二维材料，由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格。2004年英国科学家Geim和Novoselov等首次通过实验制得，它是目前已知材料中最薄的，并具有出众的物理电子特性。石墨烯在光频段几乎是完全透明的，只吸收2.3％的光；导热系数高达5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000cm2/v·s，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-6Ω·cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。近年来随着石墨烯制备技术的不断发展，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，石墨烯成为当今微波领域研究的热点之一，以它为基础的一些微波器件具有广泛的应用前景。石墨烯在磁场偏置的情况下，其电导率可认为是各向异性的，在微波信号入射时，会产生法拉第旋转效应，即透射波相对于入射波偏振方向将会发生一定角度的旋转。综合以上特性，使得石墨烯成为制造法拉第旋转器的理想材料。基于石墨烯材料的法拉第旋转器具有结构简单紧凑、体积相对较小、导热性强等优点，同时有利于器件的集成。本专利技术中基于石墨烯的磁可调法拉第旋转器，不仅能够实现旋转角度在一定范围内可调，其旋转方向同样可以控制，而且该种旋转器较传统旋转器具有结构简单紧凑、易于集成和散热性强的优良特性，满足了大功率微波器件小型化的要求，可以广泛地应用于微波系统中。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种应用于微波领域内，能够实现旋转角度在一定范围内可以被精确控制，并且具有较宽的使用频带，控制简单、结构简单紧凑，体积较小和易于集成的磁可调法拉第旋转器。实现本专利技术的技术解决方案是：基于石墨烯的磁可调法拉第旋转器，包括：一个工作频率在微波频段内的圆波导，作为微波信号传输的载体；多层石墨烯模块，在该模块信号产生一定角度的旋转；螺线管模块，利用该模块提供一个方向和信号传播方向相平行的可调静磁场。在上述圆波导内垂直于波的传播方向放置多层石墨烯模块，该模块直接紧密的插入到圆波导壁中。多层石墨烯模块是由内部平行排列的多片单层石墨烯片构成的，具有较好的物理特性。在外加一个垂直于石墨烯片的静磁场条件下，微波信号在透射通过石墨烯片时会产生一定角度的偏转。多层石墨烯模块采用多片单层石墨烯平行排列所构成，是因为电磁波在透射通过单层石墨烯片时会发生一定角度的偏转，由于该偏转角度较小不足以满足设计要求，所以采用多层叠加的形式，以达到设计的要求。在上述圆波导的外部套置一个提供偏置磁场的螺线管，螺线管骨架直接套置在圆波导外部，在螺线管骨架上绕有多层的导线构成的线圈。对螺线管供电能够产生磁场，因此可以通过控制电流的强弱来控制外加偏置静磁场的强弱。所采用的圆波导工作于它的主模TE11模式下，设定相应的工作频段和旋转角度，计算出使用在该频率段下能够单模传输的圆波导尺寸，从而得到石墨烯的尺寸和螺线管的相关参数，通过调节螺线管电流大小就可以调节外加偏置磁场的强度以达到精确控制旋转角，同时可以通过改变螺线管电流的方向来改变偏置磁场的方向，从而改变信号的偏转方向。在本专利技术中能够使电磁波发生偏转的核心材料采用石墨烯取代了传统的铁氧体材料，主要显著的优点：1、采用新材料石墨烯可以省去了两块四分之一波长板的结构使得结构简单紧凑、体积较小、易于集成；2、旋转角度在一定的范围内可以被精确控制，旋转方向也可被控制；3、控制简单，使用方便。附图说明图1为本专利技术基于石墨烯的磁可调法拉第旋转器的剖视图；图2为电流大小和磁场强弱的关系图；图3为在中心频率2GHz下旋转角度随磁场强度变化的理论计算图；图4为在中心频率2GHz下幅度特性随磁场强度变化的理论计算图；图5为在磁场强度为0.18T时旋转角度随频率变化曲线。以上图片中含有：1：圆波导；2：多层石墨烯模块；2a：单层石墨烯3：螺线管；3a：螺线管骨架；3b：线圈。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。具体实施：本专利技术实例工作频率设置为1.8GHz-2.2GHz，工作模式为在圆波导内传播的主模TE11模式，其电场方向和波传播方向垂直，在波的传播方向无电场分量。本专利技术实例结构如图1所示，尺寸单位都为毫米(mm)。主要由圆波导1、多层石墨烯模块和螺线管模块构成，其中波导1为圆波导，内圆直径为114.58mm，外圆直径为121.20mm，长度为200mm。在圆波导的内部中心处，垂直于波的传播方向，放置了多层石墨烯模块。该模块由9片单层石墨烯片所构成，其中每片间隔3mm平行放置。放置顺序如下：在波导中心处放置1片，左右两端分别放置4片，这9片石墨烯片都直接内嵌于圆波导壁中。在圆波导的外部为螺线管模块。螺线管模块由螺线管骨架和绕在螺线管骨架上的2.5平方毫米铜导线形成的线圈组成，铜导线能够承受的最大电流为20A，能够满足本设计的最大磁场强度要求。螺线管骨架和圆波导精密粘合，以得到较好的机械特性，在螺线管骨架上面密绕2500匝左右的铜导线。本专利技术的工作原理如下：本专利技术的圆波导在长度较短的情况下可以近似的认为是一个无耗的传输媒介，在以上设计的圆波导内可以无耗地单模传输1.76GHz至2.42GHz频率的工作在TE11模式的电磁波。TE11模式的电磁波在圆波导内传输并透射通过石墨烯片，由于法拉第旋转效应，每片石墨烯在磁场偏置的情况下会和TE11模式的电磁波相互作用，因此在完成透射时透射波会较入射波发生一定角度的偏转，该偏转角度的大小和外部的偏置磁场之间紧密相关，在经过9层石墨烯后可以达到设定所需的偏转角度。外部的螺线管可以提供一个可调的偏置磁场，该偏置磁场方向和波的传播方向相平行，与石墨烯片相互垂直。通过调节外部螺线管线圈中电流的大小来控制产生的偏置磁场的强度，从而起到控制旋转角度的效果，还可以通过改变流入电流的方向来实现对旋转方向的控制。图2为磁场强度随电流大小变化的关系图，由图可知磁场强度和本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于石墨烯的磁可调法拉第旋转器，其特征在于，包括一个使用在微波频段内的圆波导1；多层石墨烯模块2，该模块由单层石墨烯2a所构成；螺线管模块3该模块由螺线管骨架3a和线圈3b构成。

【技术特征摘要】
1.基于石墨烯的磁可调法拉第旋转器，其特征在于，包括一个使用在微波频段内的圆波导(1)、多层石墨烯模块(2)和螺线管模块(3)，螺线管模块(3)套置在圆波导(1)外部提供偏置静磁场，该模块由螺线管骨架(3a)和线圈(3b)构成；螺线管骨架(3a)直接套置在圆波导(1)外部，在螺线管骨架(3a)上绕有多层的导线构成的线圈(3b)，通过控制螺线管模块(3)中电流的强弱来控制外加偏置静磁场的强弱；圆波...

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