[发明专利]基于石墨烯的磁可调法拉第式隔离器

说明书

技术领域

本发明属于微波技术领域使用的法拉第式隔离器，特别涉及新材料石墨烯。

背景技术

在微波系统中，隔离器又可以被称为单向器，顾名思义电磁波在该种器件中传播只能向一个方向传播，在正向传播时其衰减较小，在隔离器的反向传输时衰减较大，利用隔离器可以实现信号的单向传输。法拉第式隔离器是指利用一些特殊材料的法拉第旋转效应，来制作隔离器，传统技术中一般采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。对于有些对返回波极敏感的传输系统，比如雷达设备级间隔离和某些双工系统等，隔离器都是必不可少的器件。法拉第式隔离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。

现今微波频段内使用的法拉第式隔离器一般以铁氧体等传统材料为基础制作，利用铁氧体材料在直流磁场和微波场共同作用下呈现出的旋磁效应来制作隔离器。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，且需要一个可以产生隔离效果的部件所构成。其结构相对比较复杂，体积也相应较大，制作工艺较为繁琐，工作频带窄，且功率容量低，多用于毫米波段内。

石墨烯是由一层密集的、包裹在蜂巢晶体点阵上的碳原子组成，具有二维蜂窝状晶格结构，是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体。石墨烯的研究最早始于20世纪70年代，2004年Geim和Novoselov等以石墨为原料，通过微机械力剥离法从高定向石墨上的成功剥离石墨烯，其厚度仅为一层碳原子厚(0.35nm)，是世界上最薄的二维材料，并具有出众的物理电子特性，如：优良的导热性能、优异的导电性和高载流子迁移率等，并且是目前已知材料中强度最高的材料。随着电子器件的高度集成化和微观尺度化，电子的输运行为不再具有宏观统计属性，量子效应开始显现，载流子的波动和量子相变相应将占据主导地位，因此传统微电子器件将面临大的挑战。石墨烯优异的电磁特性满足了该发展的要求，在微波器件领域有广泛的应用前景。近年来随着石墨烯制作水平的提高，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，基于石墨烯的微波器件研究成为国际上的研究热点之一。

石墨烯在磁场偏置的情况下，其电导率是各向异性，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式隔离器的理想材料。基于石墨烯材料的法拉第式隔离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。

本发明中基于石墨烯的法拉第式隔离器，不仅能够实现隔离度在一定范围内可调，其隔离方向同样可以通过改变磁场方向来控制，磁场方向通过改变螺线管电流的方向来改变；而且该种隔离器较传统隔离器具有结构简单紧凑、易于集成和散热性强等优良特性，能够满足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。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于微波领域，其正向传输损耗较小，反向传输具有较大损耗，并且具有较宽的使用频带、结构简单紧凑、体积较小和易于集成的法拉第式隔离器。

实现本发明的技术解决方案是：

本专利所述的隔离器采用圆波导和矩形波导等结构，工作于圆波导和矩形波导的主模下，其结构具体包括：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；输入输出模块，该模块是一矩形波导和矩形-圆波导转换器构成，矩形-圆波导转换器将矩形波导和圆波导连接起来；外部的螺线管，以提供一个偏置静磁场。

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，使整个系统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的条件下，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。

输入输出段都使用矩形波导，矩形波导和中间圆形波导使用矩形-圆波导转换器无耗地连接起来。输入矩形波导和输出矩形波导间呈45度夹角。

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。