磁偏作用下石墨烯對(duì)波導(dǎo)模式的影響研究.pdf

1、石墨烯是由單層碳原子組成的一種呈蜂窩狀的結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在,由于技術(shù)的提高,已經(jīng)能夠制造出直徑高達(dá)30cm的石墨烯片,開(kāi)啟了石墨烯在微波毫米波領(lǐng)域應(yīng)用的可能性。石墨烯結(jié)構(gòu)中獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了它零帶隙的線性電子能帶結(jié)構(gòu),進(jìn)而形成了石墨烯獨(dú)特的特性。與光子在自由空間的色散關(guān)系類似,石墨烯的線性能量-動(dòng)量色散關(guān)系使得石墨烯中的電子就像零質(zhì)量的粒子一樣,因此電子的遷移率高達(dá)15000cm2/Vs。另外,石墨烯的零帶隙結(jié)構(gòu)引起一個(gè)獨(dú)特的場(chǎng)雙極性,即能量

2、載體類型的反轉(zhuǎn),從電子轉(zhuǎn)化為空穴或者是從空穴轉(zhuǎn)化為電子。由于具有這些特性石墨烯已經(jīng)被應(yīng)用于晶體管、倍頻器等多種結(jié)構(gòu)。將石墨烯應(yīng)用于天線及其它無(wú)源元件中有助于結(jié)構(gòu)的小型化、并實(shí)現(xiàn)高效的動(dòng)態(tài)調(diào)諧和柔性電路。近期研究表明單層或者多層石墨烯片在磁場(chǎng)的偏置作用下會(huì)呈現(xiàn)出法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng),這可應(yīng)用于微波頻段的波導(dǎo)中,改變電磁波的模式傳播?；谶@一背景,本文主要研究磁偏作用下石墨烯對(duì)矩形波導(dǎo)中各模式傳輸耦合特性的影響。
　　本文的主要內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)

3、可以歸納為以下兩點(diǎn):
　　1.矩形波導(dǎo)中磁偏作用下石墨烯的回旋磁性研究。主要工作有:
　　建立一個(gè)石墨烯與矩形波導(dǎo)組成的傳輸系統(tǒng)模型,其中石墨烯放置于矩形波導(dǎo)的橫截面上,并且加有一個(gè)垂直于石墨烯平面的靜磁場(chǎng)。根據(jù)矩形波導(dǎo)橫截面的尺寸確定在某一頻段內(nèi)導(dǎo)通的模式數(shù),由矩形波導(dǎo)中各模式的本征函數(shù)計(jì)算這些模式的耦合矩陣,進(jìn)一步得到石墨烯的等效電導(dǎo)矩陣,然后根據(jù)ABCD矩陣計(jì)算S參數(shù)。仿真研究了石墨烯偏置靜磁場(chǎng)和電化學(xué)勢(shì)對(duì)波導(dǎo)模式的傳

4、輸、反射以及模式之間的耦合的影響。
　　2.加載有石墨烯和石英襯底的矩形波導(dǎo)中波導(dǎo)模式特性的研究。其內(nèi)容主要包括:
　　建立了多片石墨烯和石英襯底的結(jié)構(gòu)模型,在矩形波導(dǎo)的橫截面上有一個(gè)偏置靜磁場(chǎng)垂直穿過(guò)石墨烯和襯底。由于石英襯底的介電常數(shù)較空氣高,因此有些模式能夠在石英加載矩形波導(dǎo)中導(dǎo)通,但是在空氣中截止。在石墨烯、石英襯底以及矩形波導(dǎo)組成的系統(tǒng)中,一些高階模式在空氣波導(dǎo)中的波阻抗表現(xiàn)為純虛數(shù)。本文中把波導(dǎo)系統(tǒng)等效為一個(gè)廣義

5、多端口網(wǎng)絡(luò),對(duì)于各模式對(duì)應(yīng)的廣義端口端接其空氣填充矩形波導(dǎo)中的波阻抗。本文主要研究了H10模和H01模之間的傳輸、反射以及模式耦合效應(yīng)受垂直穿過(guò)石墨烯的偏置靜磁場(chǎng)和電化學(xué)勢(shì)的影響。
　　通過(guò)研究表明,矩形波導(dǎo)中各模式的傳輸、反射以及耦合受多種因素的影響,包括石墨烯的偏置靜磁場(chǎng)、電化學(xué)勢(shì)以及石英襯底。在有襯底的情況下,各模式自身的傳輸和反射會(huì)變大,模式之間的耦合變小。可以通過(guò)調(diào)節(jié)這些參數(shù)使矩形波導(dǎo)的模式達(dá)到較優(yōu)的傳輸效果。