磁偏作用下石墨烯對波導模式的影響研究.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?，F(xiàn)在,由于技術的提高,已經(jīng)能夠制造出直徑高達30cm的石墨烯片,開啟了石墨烯在微波毫米波領域應用的可能性。石墨烯結(jié)構中獨特的原子結(jié)構導致了它零帶隙的線性電子能帶結(jié)構,進而形成了石墨烯獨特的特性。與光子在自由空間的色散關系類似,石墨烯的線性能量-動量色散關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15000cm2/Vs。另外,石墨烯的零帶隙結(jié)構引起一個獨特的場雙極性,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)被應用于晶體管、倍頻器等多種結(jié)構。將石墨烯應用于天線及其它無源元件中有助于結(jié)構的小型化、并實現(xiàn)高效的動態(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的偏置作用下會呈現(xiàn)出法拉第旋轉(zhuǎn)效應,這可應用于微波頻段的波導中,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矩形波導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

3、可以歸納為以下兩點:
　　1.矩形波導中磁偏作用下石墨烯的回旋磁性研究。主要工作有:
　　建立一個石墨烯與矩形波導組成的傳輸系統(tǒng)模型,其中石墨烯放置于矩形波導的橫截面上,并且加有一個垂直于石墨烯平面的靜磁場。根據(jù)矩形波導橫截面的尺寸確定在某一頻段內(nèi)導通的模式數(shù),由矩形波導中各模式的本征函數(shù)計算這些模式的耦合矩陣,進一步得到石墨烯的等效電導矩陣,然后根據(jù)ABCD矩陣計算S參數(shù)。仿真研究了石墨烯偏置靜磁場和電化學勢對波導模式的傳

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中波導模式特性的研究。其內(nèi)容主要包括:
　　建立了多片石墨烯和石英襯底的結(jié)構模型,在矩形波導的橫截面上有一個偏置靜磁場垂直穿過石墨烯和襯底。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中導通,但是在空氣中截止。在石墨烯、石英襯底以及矩形波導組成的系統(tǒng)中,一些高階模式在空氣波導中的波阻抗表現(xiàn)為純虛數(shù)。本文中把波導系統(tǒng)等效為一個廣義

5、多端口網(wǎng)絡,對于各模式對應的廣義端口端接其空氣填充矩形波導中的波阻抗。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受垂直穿過石墨烯的偏置靜磁場和電化學勢的影響。
　　通過研究表明,矩形波導中各模式的傳輸、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、電化學勢以及石英襯底。在有襯底的情況下,各模式自身的傳輸和反射會變大,模式之間的耦合變小?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)這些參數(shù)使矩形波導的模式達到較優(yōu)的傳輸效果。