基于石墨烯矩形波导的传播特性研究

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石墨烯(Graphene)是由碳原子构成的厚度约为0.34纳米的平面型材料,自从2004年开始,单层的石墨烯在实验室被成功的分离出来后,因其具有的一些独一无二的特性而成为人们研究的焦点。由石墨烯构成的各种器件不但具有良好的电热性能,而且还可以通过加载偏置电磁场来改变特性。现在,石墨烯的工业化生产已成为现实,开启了石墨烯在各个领域的应用可能性。  近年来,随着对太赫兹(THz)波的深入研究,使得太赫兹频段的电磁波的应用愈加广泛。但是,这些太赫兹技术的具体应用,需要特定的传播太赫兹波装置,因为若在开放的自由空间传播,必然会受到外在环境的影响;因此研究特殊的传播太赫兹波的设备就非常有必要,现在不少的研究机构都聚焦在导波结构上。在低频范围内,可以用金属或是介质材料构成的波导传播电磁波;然而在太赫兹频段范围内,由于金属的有限传导率或介质材料的高吸收系数,此时金属波导或介质波导传播电磁波会造成能量很大损耗,因此,由金属或是介质等材料构成的波导是满足不了传播要求的;但是,对基于石墨烯矩形波导的这类导波结构,尤其在太赫兹频段,还未充分研究。  为此本文研究了两种由石墨烯构成的矩形波导。其中石墨烯的行为是由各向异性媒质来模拟,该媒质同时具有对角和霍尔电导率。然后,利用模式匹配技术对建立的波导模型进行分析并求解其传播模式的传播常数和衰减,具体来说,研究的主要内容有:  1.上表面是石墨烯,其余侧面是理想导体的石墨烯矩形波导的研究。  2.上下表面是石墨烯,左右侧面是理想导体的石墨烯-石墨烯矩形波导的研究。  3.通过改变偏置的电磁场,进一步研究其传播性能的改变,并分析其应用的可行性。  研究得出:当未加载偏置磁场时,基于石墨烯的矩形波导能够传播横电(TE)波和横磁(TM)波;然而当加载偏置磁场时,此时基于石墨烯的波导只能够传播混合模(TE与TM同时存在),而且通过调节外加偏置磁场时,能够使混合模的传播特性发生变化。此外,本文的研究方法能够用在其它具有同向或异向电导率边界的导波结构中。
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