BR102019019249A2 - Divisores de potência controláveis na faixa de thz baseados em grafeno - Google Patents

Abstract

divisores de potência controláveis na faixa de thz baseados em grafeno a invenção proposta, baseia-se em dois divisores de potência não recíprocos, baseados em grafeno que operam na região de thz. os componentes desenvolvidos dividem o sinal de entrada entre duas portas de saída e, além disso, possuem propriedades de isolamento, isto é, a fonte do sinal eletromagnético conectada a porta de entrada é protegida contra possíveis reflexões indesejadas oriundas das portas de saída. as estruturas dos dispositivos consistem de um ressonador de grafeno em forma de disco e quatro guias de onda conectados a ele. esses elementos são depositados em substrato dielétrico de sílica (sio2) e silício (si), sendo o ressonador de grafeno magnetizado normalmente em seu plano por um campo magnético dc externo, e o princípio físico de funcionamento dos dispositivos é baseado na ressonância dipolar do ressonador magnetizado. resultados numéricos demonstram que a divisão do sinal eletromagnético entre as duas portas de saída está em torno de -4,4 db e os isolamentos da fonte eletromagnética em relação as portas de saída são melhores que -20 db nas frequências centrais de 7,48 thz e 7,4 thz, sendo possível o ajuste da faixa de frequência dos dispositivos mudando o potencial químico do grafeno através da aplicação de uma diferença de potencial entre o substrato e a camada de grafeno, proporcionando desta forma, o controle dinâmico das respostas dos divisores. as larguras de banda dos dispositivos para os níveis de transmissão de -5 db e isolamento de -15 db estão próximas de 4,5 % e 3,4 % com o campo magnético dc de 0,8 t.

Description

DIVISORES DE POTÊNCIA CONTROLÁVEIS NA FAIXA DE THZ BASEADOS EM GRAFENO

[001] A invenção proposta corresponde a dois divisores de potência baseados em grafeno e substrato dielétrico operando na região de THz. As estruturas dos dispositivos consistem de um ressonador de grafeno em forma de disco e quatro guias de onda de grafeno acoplados frontalmente ao ressonador, o qual estão depositados em um substrato dielétrico formado por uma camada de sílica (SiO2) e outra de silício (Si).

[002] Os componentes desenvolvidos têm como funções: dividir o sinal de entrada entre duas portas de saída e proteger a fonte do sinal eletromagnético conectada a porta de entrada contra possíveis reflexões indesejadas oriundas das portas de saída.

[003] O princípio de funcionamento dos divisores, baseia-se em ondas plasmônicas guiadas nos guias de ondas de grafeno, que excitam ressonâncias dipolares de plasmons polaritons superficiais (SPP) no ressonador também de grafeno. Quando o ressonador não está magnetizado, a onda injetada na porta de entrada (fonte), produz um dipolo simétrico em relação ao guia de onda de entrada, o que leva a divisão da potência do sinal eletromagnético entre as três portas de saída. Já quando o ressonador é magnetizado por um campo magnético DC externo B0 na direção perpendicular ao plano do ressonador, o campo de modo dipolo estacionário gira em 30°, alinhando o plano nodal do modo dipolo (região em que a intensidade da componente de campo eletromagnético Ez do modo é igual a zero) com uma das portas de saída, fazendo com que a mesma fique isolada, e desta forma, a onda injetada na porta de entrada seja dividida entre duas portas de saída.

[004] A seguir, diversas patentes sobre divisores baseados em cristais fotônicos e grafeno nas regiões de micro-ondas e terahertz são apresentadas abaixo.

[005] A invenção em questão, CN101561531A, faz referência a um divisor de potência baseado em cristal fotônico com geometria T. Na presente patente, um cilindro dielétrico é adicionado na interseção dos defeitos das linhas verticais e horizontais, e dois cilindros dielétricos mais próximos do cilindro dielétrico adicionado são removidos. O divisor de potência apresentado tem como vantagens uma maior banda de frequência e melhor divisão da energia entre as portas de saída em comparação com um divisor T tradicional.

[006] A referente patente CN108417955A, trata-se de um divisor de potência de guias de onda retangulares na faixa de terahertz, consistindo de uma estrutura muito simples, composta de uma camada dielétrica entre duas placas metálicas. O dispositivo apresenta uma porta de entrada e duas portas de saída. A eficiência da divisão de potência entre as duas portas de saída pode ser otimizada ajustando os parâmetros de tamanho como: comprimento, largura e espessura entre as placas metálicas, e a escolha do material dielétrico compreendido essas placas metálicas.

[007] Semelhante a invenção anterior, a patente CN103682541A refere-se a um divisor de potência de onda terahertz, em particular, a uma estrutura não simétrica, simples e compacta, composta por uma porta de entrada e quatro portas de saída. O sinal de onda terahertz inserido na porta de entrada divide de forma equivalente a energia entre as quatro portas de saída do divisor.

[008] Finalmente, a patente CN107248606A descreve um divisor de potência multicanal baseado em grafeno, composto por um substrato dielétrico de dupla camada, uma porta de entrada, N portas de saida e linhas de transmissões de micro fitas na parte superior e inferior do substrato. Um fina película de grafeno circular em substituição ao tradicional resistor é carregada em uma extremidade concentrada da linha de micro fita na parte inferior do substrato, evitando assim, o efeito parasita causado pelo resistor em alta frequência. Além disso, é possivel a miniaturização e alto isolamento do dispositivo que pode ser usado em aplicações para radar de arranjo em fases, sistemas de alimentadores de antena e outros sistemas de comunicação por microondas.

[009] A seguir, apresentamos uma das possíveis configurações geométrica dos dispositivos propostos:

• a) O raio dos dois ressonadores de grafeno é R = 320 nm;
• b) O comprimento e as larguras dos oito guias de onda de grafeno são: L = 900 nm, w1 = 240 nm e w2 = 120 nm;
• c) Os guias de onda estão separados dos ressonadores por uma distância d = 5 nm;
• d) Os ressonadores e os guias de onda de grafeno estão depositados em substrato dielétrico composto por uma camada de Sílica (SiO2) e outra de silício (Si) com espessuras h1 = h2 = 2500 nm e permissividades elétrica de 2.09 e 11.9, respectivamente.

[010] Os cálculos eletromagnéticos foram realizados utilizando o tensor condutividade elétrica do grafeno dado por:

onde suas componentes é dada pelo modelo de Drude:

em que:

onde:
a) σ0 é a condutividade mínima do grafeno (em Siemens);
b) ωc é a frequência de cíclotron (em radianos por segundo); dada por:

onde:
c) e é a carga do elétron (em Coulomb);
d) B0 é o campo magnético (em Tesla);
e) F é a velocidade de Fermi (metros por segundo);
f) π é igual a 3.14;
g) h é a constante de Planck (em Joule vezes segundo);
h) ω é a frequência angular do sinal incidente (em radiano por segundo);
i) τ é o tempo de relaxação no grafeno (em pico segundos);
j) f é o potencial químico aplicado a folha de grafeno (em elétron-volt);
l) í é a unidade imaginária.

[011] A seguir, serão apresentadas em detalhes, as geometrias e o princípio de funcionamento dos dispositivos.

[012] Na figura 1, temos as representações esquemáticas dos dois possíveis projetos de divisores de potência sugeridos. As figuras 1a e 1b descrevem a vista de cima e a figura 1c a vista lateral dos dispositivos. Como mostrado nas figuras 1a e 1b, os dispositivos consistem de quatro guias de ondas de grafeno conectados a uma distância (d) do ressonador de grafeno magnetizado normalmente por um campo magnético DC externo B0.

[013] As Figuras 2 e 3, ilustram as distribuições da componente Ez do campo elétrico para os dispositivos mostrados no esquema da figura 1a e 1b, respectivamente.

[014] As portas 101, 102, 103 e 104 nas figuras 1a e 1b, excitam ondas de plasmons polariton de superfície (SPP) nos guias de onda de grafeno 201 e 202, excitando ressonâncias plasmônicas com perfil de modo dipolo estacionário no ressonador central, também de grafeno 301. As estruturas são depositadas sobre substrato dielétrico de SiO2 401 e Si 402 (figura 1c).

[015] Sem magnetização, a onda de entrada na porta 101 produz um dipolo orientado simetricamente em relação ao eixo do guia de onda de entrada 201. Isto leva à divisão da potência entre as portas 102, 103 e 104 (figuras 2a e 3a), sendo que uma pequena parte da energia da onda eletromagnética é refletido para a porta de entrada 101 e outra parte é absorvida pelo ressonador de grafeno 301.

[016] Com campo magnético DC de 0,8 T aplicado perpendicularmente ao ressonador de grafeno 301, a onda eletromagnética injetada na porta 101 excitará um padrão de campo de modo dipolo estacionário no ressonador com orientação de 30° em relação ao eixo do guia de onda da porta 104, fazendo com que a mesma fique isolada. Assim, a potência da onda injetada na porta 101 (fonte), será dividida entre as portas 102 e 103 (duas cargas fontes), (figuras 2b e 3b) e as reflexões vindas das portas 102 e 103, serão direcionadas para as portas de saída 103 e 104 (figuras 2c e 3c), e para as portas 102 e 104 (figuras 2d e 3d), respectivamente.

[017] As respostas em frequência dos divisores apresentados nas figuras 1a e 1b para excitações pelas portas 101, 102 e 103 são apresentadas nas figuras 4a-c e 5a-c, respectivamente, onde no eixo das abscissas encontra-se a frequência em (THz) e no eixo das ordenadas temos as perdas de inserção, isolamento e reflexão em (dB) dos dispositivos. Nos cálculos, consideramos apenas as perdas relacionadas ao ressonador de grafeno. Para este propósito, subtraímos das perdas totais dos dispositivos, as perdas dos dois guias de onda com o comprimento L e as larguras w1 e w2 (figuras 1a e 1b).

[018] Pode-se observar nas figuras 4a e 5a, que a divisão da potência de entrada entre as portas 102 e 103 na frequência central 7,48 THz (Fig. 1a) e 7,41 THz (Fig. 1b) é de aproximadamente - 4,4 dB e a porta 104 é isolada da porta de entrada 101 (fonte) por aproximadamente - 22,2 dB e - 40 dB, respectivamente. Para os níveis -5 dB de transmissão e - 15 dB de isolamento, as larguras de banda calculadas para esses divisores são de aproximadamente 4,5% e 3,4%, respectivamente.

[019] As excitações nas portas 102 e 103 representam os sinais refletidos das cargas não casadas nessas portas (figuras 2c, 2d e 3c, 3d). De acordo com as figuras 4b, 4c, 5b e 5c, a fonte eletromagnética localizada na porta 1 é protegida contra reflexões indesejadas.

[020] O controle dinâmico da banda de frequência dos divisores (figuras 1a e 1b) foram obtidos variando o potencial químico do grafeno de 0,14 eV a 0,18 eV, mantendo todos os outros parâmetros fixos. As figuras 6a e 7a ilustram as respostas em frequência dos divisores para dois valores de potenciais químico a saber, 0,14 eV e 0,16 eV. Destas curvas, pode-se observar que as frequências centrais dos dispositivos aumentam linearmente de 7,26 THz para 8,14 THz e de 7,11 THz para 8 THz nas figuras 6b e 7b, respectivamente, com uma alteração admissível em suas características. As duas modificações apresentadas dos divisores, possuem características semelhantes. A diferença em sua geometria confere uma flexibilidade no projeto de circuitos THz.

Claims (5)

1. Divisores de potência controláveis na faixa de THz baseados em grafeno, caracterizados por operarem na região de THz, serem de grafeno e substrato dielétrico de sílica (SiO2) e silício (Si).
2. Divisores de potência controláveis na faixa de THz baseados em grafeno, de acordo com a reivindicação 1, caracterizados por apresentarem um ressonador em forma de disco e quatro guias de onda acoplados frontalmente ao ressonador.
3. Divisores de potência controláveis na faixa de THz baseados em grafeno, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizados por dividirem o sinal de entrada entre duas portas de saída e, além disso, possuírem propriedades de isolamento de uma possível fonte eletromagnética que venha a ser conectada as portas de entrada dos divisores, contra reflexões indesejadas oriundas das portas de saída.
4. Divisores de potência controláveis na faixa de THz baseados em grafeno, de acordo com as reivindicações 1 a 3, caracterizados por terem o ressonador magnetizado por um campo magnético DC externo perpendicular ao seu plano e o princípio físico de funcionamento baseado na ressonância dipolar deste ressonador magnetizado.
5. Divisores de potência controláveis na faixa de THz baseados em grafeno, de acordo com as reivindicações 1 a 4, caracterizados por ajustarem as respostas em frequência dos dispositivos através da mudança do potencial químico do grafeno por meio da aplicação de uma tensão de polarização entre a camada de grafeno e o substrato dielétrico.

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