[發(fā)明專利]基于石墨烯的磁可調(diào)法拉第式隔離器

有效

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• 申請日: 2013-02-07
• 公開（公告）號(hào): CN103985941B
• 公開（公告）日: 2017-06-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 肖丙剛;孫潤亮;謝治毅;章東平
• 申請（專利權(quán)）人: 中國計(jì)量學(xué)院
• 主分類號(hào): H01P1/375
• 分類號(hào): H01P1/375
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微波技術(shù)領(lǐng)域使用的法拉第式隔離器，特別涉及新材料石墨烯。

背景技術(shù)

在微波系統(tǒng)中，隔離器又可以被稱為單向器，顧名思義電磁波在該種器件中傳播只能向一個(gè)方向傳播，在正向傳播時(shí)其衰減較小，在隔離器的反向傳輸時(shí)衰減較大，利用隔離器可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的單向傳輸。法拉第式隔離器是指利用一些特殊材料的法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，來制作隔離器，傳統(tǒng)技術(shù)中一般采用電磁波在縱向磁化的鐵氧體棒中傳播時(shí)極化面產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)制成的隔離器。對于有些對返回波極敏感的傳輸系統(tǒng)，比如雷達(dá)設(shè)備級(jí)間隔離和某些雙工系統(tǒng)等，隔離器都是必不可少的器件。法拉第式隔離器的核心部件就是能使電磁波產(chǎn)生角度偏轉(zhuǎn)的材料，因此其材料的選擇會(huì)直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的工作性能。

現(xiàn)今微波頻段內(nèi)使用的法拉第式隔離器一般以鐵氧體等傳統(tǒng)材料為基礎(chǔ)制作，利用鐵氧體材料在直流磁場和微波場共同作用下呈現(xiàn)出的旋磁效應(yīng)來制作隔離器。傳統(tǒng)的基于鐵氧體的旋轉(zhuǎn)器需要在圓波導(dǎo)內(nèi)加載鐵氧體棒和四分之一波長板，且需要一個(gè)可以產(chǎn)生隔離效果的部件所構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)相對比較復(fù)雜，體積也相應(yīng)較大，制作工藝較為繁瑣，工作頻帶窄，且功率容量低，多用于毫米波段內(nèi)。

石墨烯是由一層密集的、包裹在蜂巢晶體點(diǎn)陣上的碳原子組成，具有二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)，是目前發(fā)現(xiàn)的唯一存在的二維自由態(tài)原子晶體。石墨烯的研究最早始于20世紀(jì)70年代，2004年Geim和Novoselov等以石墨為原料，通過微機(jī)械力剝離法從高定向石墨上的成功剝離石墨烯，其厚度僅為一層碳原子厚(0.35nm)，是世界上最薄的二維材料，并具有出眾的物理電子特性，如：優(yōu)良的導(dǎo)熱性能、優(yōu)異的導(dǎo)電性和高載流子遷移率等，并且是目前已知材料中強(qiáng)度最高的材料。隨著電子器件的高度集成化和微觀尺度化，電子的輸運(yùn)行為不再具有宏觀統(tǒng)計(jì)屬性，量子效應(yīng)開始顯現(xiàn)，載流子的波動(dòng)和量子相變相應(yīng)將占據(jù)主導(dǎo)地位，因此傳統(tǒng)微電子器件將面臨大的挑戰(zhàn)。石墨烯優(yōu)異的電磁特性滿足了該發(fā)展的要求，在微波器件領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。近年來隨著石墨烯制作水平的提高，較大尺度的石墨烯薄片已經(jīng)被成功制作出來，使得石墨烯在微波頻段的應(yīng)用成為可能，基于石墨烯的微波器件研究成為國際上的研究熱點(diǎn)之一。

石墨烯在磁場偏置的情況下，其電導(dǎo)率是各向異性，在微波信號(hào)入射時(shí)，會(huì)產(chǎn)生法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，即透射波相對于入射波偏振方向?qū)?huì)發(fā)生一定角度的旋轉(zhuǎn)。綜合以上特性，使得石墨烯成為制造法拉第式隔離器的理想材料?；谑┎牧系姆ɡ谑礁綦x器具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、體積相對較小、導(dǎo)熱性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)有利于器件的集成。

本發(fā)明中基于石墨烯的法拉第式隔離器，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)隔離度在一定范圍內(nèi)可調(diào)，其隔離方向同樣可以通過改變磁場方向來控制，磁場方向通過改變螺線管電流的方向來改變；而且該種隔離器較傳統(tǒng)隔離器具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、易于集成和散熱性強(qiáng)等優(yōu)良特性，能夠滿足大功率微波器件小型化的要求，可以廣泛地應(yīng)用于微波系統(tǒng)中。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種應(yīng)用于微波領(lǐng)域，其正向傳輸損耗較小，反向傳輸具有較大損耗，并且具有較寬的使用頻帶、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、體積較小和易于集成的法拉第式隔離器。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

本專利所述的隔離器采用圓波導(dǎo)和矩形波導(dǎo)等結(jié)構(gòu)，工作于圓波導(dǎo)和矩形波導(dǎo)的主模下，其結(jié)構(gòu)具體包括：一個(gè)工作頻率在微波頻段內(nèi)的圓波導(dǎo)，作為微波信號(hào)傳輸?shù)妮d體；多層石墨烯模塊，在該模塊信號(hào)產(chǎn)生一定角度的旋轉(zhuǎn)；輸入輸出模塊，該模塊是一矩形波導(dǎo)和矩形-圓波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，矩形-圓波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器將矩形波導(dǎo)和圓波導(dǎo)連接起來；外部的螺線管，以提供一個(gè)偏置靜磁場。

在上述圓波導(dǎo)內(nèi)垂直于波的傳播方向放置多層石墨烯模塊，該模塊直接緊密的插入到圓波導(dǎo)壁中。多層石墨烯模塊是由內(nèi)部平行排列的多片單層石墨烯片構(gòu)成的，使整個(gè)系統(tǒng)具有較好的物理特性。在外加一個(gè)垂直于石墨烯片的靜磁場的條件下，微波信號(hào)在透射通過石墨烯片時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定角度的偏轉(zhuǎn)。多層石墨烯模塊采用多片單層石墨烯平行排列所構(gòu)成，是因?yàn)殡姶挪ㄔ谕干渫ㄟ^單層石墨烯片時(shí)會(huì)發(fā)生一定角度的偏轉(zhuǎn)，由于該偏轉(zhuǎn)角度較小不足以滿足設(shè)計(jì)要求，所以采用多層疊加的形式，以達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。

輸入輸出段都使用矩形波導(dǎo)，矩形波導(dǎo)和中間圓形波導(dǎo)使用矩形-圓波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器無耗地連接起來。輸入矩形波導(dǎo)和輸出矩形波導(dǎo)間呈45度夾角。

在上述圓波導(dǎo)的外部套置一個(gè)提供偏置磁場的螺線管，螺線管骨架直接套置在圓波導(dǎo)外部，在螺線管骨架上繞有多層的導(dǎo)線構(gòu)成的線圈。對螺線管供電能夠產(chǎn)生磁場，因此可以通過控制電流的強(qiáng)弱來控制外加偏置靜磁場的強(qiáng)弱。