CN103985939B - 一种基于石墨烯的新型隔离器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于石墨烯的新型隔离器，该隔离器由线栅偏振器(21)、(22)和三组自由站立的单层石墨烯(3)组成；其中线栅偏振器(2)由等间距的金属柱(4)平行排列而成，单层石墨烯(3)平行于线栅偏振器(21)、(22)放置，偏置磁场垂直通过单层石墨烯(3)，由信号输入/输出端口(1)输入的TE波能通过该隔离器，由信号输入/输出端口(5)输入的TE波不能通过该隔离器；在工作频段内，该隔离器的具有良好的隔离特性，并且有功率容量大、结构紧凑和散热快等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于3G通信领域的基于石墨烯的新型隔离器，特别涉及石墨烯材料的应用。
背景技术
隔离器的主要作用是将输入、输出和工作电源三者相互隔离，它广泛地应用在移动通信和测量等系统中。在基站和移动台系统中，隔离器用来实现收、发信机天线的共用(双工器或多工器)；在发射和接收系统中，隔离器用来隔离开关放大器、功率放大器的输入和输出信号；在测量系统中隔离器用来去除仪表和设备之间信号的互相干扰。常用的隔离器有法拉第旋转隔离器、场移式隔离器、谐振式隔离器、边导膜隔离器这几种，其中法拉第旋转式隔离器是最为常用于波导系统中，是利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，但是该隔离器的工作频带窄，结构较复杂，且功率容量低。
石墨烯由一层密集的、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，它不仅具有独特的载流子特性和优良的电学性能，还是一种良好导热材料，也是目前所知最硬的二维材料。自2004年Geim和Novoselov等以石墨为原料成功剥离出石墨烯以来，石墨烯便以其优良的特性，成为了学术界研究的热点之一。近年来，D.L.Sounas和C.Caloz理论上证明了磁场偏置下石墨烯的法拉第法拉第旋转效应和非互易性，即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，透射波相对于入射波偏振方向将会发生一定角度的旋转。I.Crassee和J.Levallois对此进行了实验证明。这些研究向我们展示了石墨烯的优良特性以及石墨烯在微波器件领域大范围替代传统铁磁性材料和金属材料的潜力。
描述的应用于3G通信领域的基于石墨烯的新型隔离器主要由两个线栅偏振器和三组自由站立的单层石墨烯组成，在外加磁场作用下，由于石墨烯的法拉第旋转效应，具有单向传输的特性。在1.8-2.2GHz(3G通信)的工作频段内，该隔离器的隔离度均在-70dB以下，在中心频率2GHz处，隔离度接近-72dB，具有良好的隔离特性，由于使用了石墨烯和金属材料，该隔离器具有功率容量大、结构紧凑和散热快等优点。
发明内容
本发明目的是提供一种应用于3G通信领域的基于石墨烯的新型隔离器，所述的隔离器对TE偏振的平面波具有单向传输的特性，具有隔离特性良好、功率容量大、结构紧凑和散热快等优点。
实现本发明的技术解决方案是：
一种应用于3G通信领域的基于石墨烯的新型隔离器，该隔离器由两个线栅偏振器和三组自由站立的单层石墨烯组成，具有单向传输特性，其中线栅偏振器由等间距的金属柱平行排列而成，两个线栅偏振器呈45°夹角放置，石墨烯平行于线栅偏振器放置，偏置磁场垂直通过三组自由站立的单层石墨烯。
所述的单层石墨烯能使TE偏振的平面波近似无损耗地通过，所述的线栅偏振器能使电场方向垂直其金属柱的TE偏振的平面波近似无损耗地通过，使电场方向平行其金属柱的TE偏振的平面波被全反射。
利用三组单层石墨烯在磁场偏置下的法拉第旋转效应和非互异性，使经由不同端口入射的TE偏振的平面波的电场方向均发生总计45°的旋转，进而使线栅偏振器对不同端口入射的TE偏振的平面波形成不同的透射和反射效应，从而实现单向隔离。
本发明与现有技术相比，具体具有如下优点：
1)结构紧凑：整个隔离器由层状介质组成，因此隔离器尺寸非常小；
2)功率容量大：隔离器由金属材料和石墨烯组成，这两种材料均具有耐高温的特性；
3)散热快：隔离器由金属材料和石墨烯组成，这两种材料均具有散热快的特性。
附图说明
图1为本发明基于石墨烯的新型隔离器的原理图，
图2磁场偏置下，TE偏振的平面波垂直入射石墨烯层，
图3磁场偏置下，单层石墨烯的法拉第旋转角度随频率的变化曲线
图4实例基于石墨烯的新型隔离器的隔离度随频率的变化曲线
以上图片中含有：
1：信号输入/输出端口；21：线栅偏振器；22：线栅偏振器；3：单层石墨烯；4：金属柱；5：信号输入/输出端口。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、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，进一步阐明本发明。
一种应用于3G通信领域的基于石墨烯的新型隔离器，该隔离器由两个线栅偏振器21、22和三组自由站立的单层石墨烯3组成，其中线栅偏振器2由等间距的金属柱4平行排列而成，两个线栅偏振器呈45°夹角放置，单层石墨烯3平行于线栅偏振器2放置，偏置磁场垂直通过单层石墨烯3。
本发明采用如下方法实现信号隔离：
当金属柱4的半径和金属柱4之间的间距均远小于入射波长时，线栅偏振器2能使电场方向垂直其金属柱4的TE偏振的平面波近似无损耗地通过，使电场方向平行其金属柱4的TE偏振的平面波被全反射。
在磁场偏置下，石墨烯的法拉第旋转效应具体表现为：TE偏振的平面波沿-z方向垂直透射单层石墨烯3(如图2所示)后，其电场方向会发生偏转。当μc≥hω且μc≥kBT时，偏转角θ为：
其中μc为化学势，为约化的普朗克常量，ωc为回旋加速频率，kB为波茨曼常数，T为温度，ωc为回旋加速频率τ为散射时间σ0为无偏置磁场下石墨烯的电导率ω为入射波频率，ns为载流子浓度，B0为磁场偏置，VF为费米速率，e为电子电量，μ为迁移率。
在磁场偏置下，石墨烯的非互易性具体表现为：由式(1)得，当TE偏振的平面波沿+z方向垂直透射单层石墨烯3后，其电场的偏转角度仍为θ。
图3为所述的，磁场偏置下的单层石墨烯3的法拉第旋转效应随频率的变化曲线，这里取B0＝0.39T，μ＝10000cm2/Vs，ns＝1013cm-2，T＝300K，μc＝0.15eV。由图可见在1-3GHz频段内，偏转角θ都近似为15°。所以垂直入射三组自由站立的单层石墨烯3石墨烯的TE偏振的平面波的电场将发生45°的偏转。
由此，当TE偏振的平面波由信号输入/输出端口1入射时，其电场方向垂直线栅偏振器21，如图1所示，平面波可以顺利通过线栅偏振器21；经过三组自由站立的单层石墨烯3后，该平面波的电场偏振方向将顺时针旋转45°，入射到线栅偏振器22时，由于该平面波的电场方向垂直线栅偏振器22，该平面波顺利通过线栅偏振器22。
当TE偏振的平面波由信号输入/输出端口2入射时，其电场方向垂直线栅偏振器22，如图1所示，平面波可以顺利通过线栅偏振器22；经过三组自由站立的单层石墨烯3后，该平面波的电场偏振方向将顺时针旋转45°，入射到线栅偏振器21时，由于平面波的电场方向平行于线栅偏振器21，该平面波被全部反射，从而起到了单向隔离的作用。
基于石墨烯的隔离器尺寸设计如下：金属线栅和三组单层石墨烯之间的间距均取四分之一中心波长，即37.5mm，线栅偏振器的金属柱直径为6mm，金属柱间距为8.75mm；偏置磁场为B0＝3.9T；石墨烯的各项参数为μ＝10000cm2/Vs，ns＝1013cm-2，T＝300K，μc＝0.15eV。实例基于石墨烯的隔离器在工作频率1.8-2.2GHz的隔离特性，如图10所示。从图4中可以看出，在1.8-2.2GHz频段内，隔离度均小于-70dB，在中心频率2GHz处，隔离度接近-72dB，此隔离器具有良好的隔离特性。
Claims (1)
1.一种基于石墨烯的新型隔离器，其特征在于，该隔离器由线栅偏振器(2)和三组自由站立的单层石墨烯(3)组成；其中线栅偏振器(2)由等间距的金属柱(4)平行排列而成，单层石墨烯(3)平行于线栅偏振器(2)放置，偏置磁场垂直通过单层石墨烯(3)；线栅偏振器(2)和三组单层石墨烯(3)之间的间距均取四分之一中心波长，即37.5mm，线栅偏振器(2)的金属柱(4)直径为6mm，金属柱(4)间距为8.75mm；偏置磁场为B0＝3.9T；单层石墨烯(3)的各项参数为μ＝10000cm2/Vs，ns＝1013cm-2，T＝300K，μc＝0.15eV。
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