石墨烯等效電路以及在太赫茲調制器中的應用研究.pdf

1、太赫茲無線通信具有傳輸速率高、頻段資源豐富、不易被探測和截收、帶寬大、抗干擾能力強等諸多優(yōu)點,而太赫茲波調制器作為太赫茲無線通信系統的關鍵器件之一,成為了目前太赫茲領域研究中的熱點。太赫茲波調制器性能很大程度上取決于材料的選取,石墨烯不僅具有光學透明、穩(wěn)定、高強度、高電導率、高熱導率等優(yōu)良的物理特性,而且具有獨特的零帶隙的能帶結構,在狄拉克點附近還具有線性的能帶結構,通過改變石墨烯的化學勢可以起到調節(jié)石墨烯電導率的作用,這些特性使石墨烯

2、成為太赫茲波調制器設計的理想材料。
　　本文在分析單層石墨烯和多層石墨烯結構的等效電路基礎上,設計和分析了基于單層石墨烯透射型和反射型太赫茲調制器以及基于雙層石墨烯的太赫茲調制器。本文的主要研究工作和成果如下:
　　利用自由空間內石墨烯的等效電路和均勻平行平板介質波導的等效傳輸線模型,建立了硅/二氧化硅基底上的單層石墨烯結構的等效電路和多層石墨烯結構的等效電路,并分別對上述等效電路進行了簡化。
　　然后,利用上述等效電

3、路,設計并分析了三種太赫茲調制器,它們分別是基于石墨烯的透射型調制器,基于石墨烯的反射型調制器和基于雙層石墨烯的反射型調制器。
　　利用硅/二氧化硅基底上的單層石墨烯結構的等效電路,設計和分析了基于石墨烯的透射型調制器和反射型調制器。其中,基于石墨烯的透射型調制器由石英玻璃基片、單層石墨烯薄膜和二氧化硅/硅構成。利用該調制器的等效電路模型,分析了它的調制深度,其結果與光學散射矩陣法的計算結果一致。理論分析的結果表明,載波為0.6T

4、Hz時,當調制信號電壓由0V變化到50V時,理論調制深度可達24.12％,調制帶寬為55.5KHz,性能優(yōu)越。通過進一步的優(yōu)化,即使用兩層石墨烯重疊的結構,使得調制深度上升到了40.13%,并且由于兩層石墨烯的電阻小于單層石墨烯,使得調制帶寬上升到了98.41KHz。
　　基于石墨烯的反射型調制器由金屬層,石英玻璃基片、單層石墨烯薄膜和二氧化硅/硅構成。由于電磁波被底層金屬反射,電磁波將經過石墨烯兩次,使得其調制深度將高于同規(guī)格的

5、透射型調制器。通過同樣的等效電路方法,得出這種調制器在載波為0.6THz時,當調制信號電壓由0V變化到50V時,理論調制深度可達68.8%,調制帶寬為55.5KHz。
　　通過利用氧化鋁鍍層物理地分隔兩個單層石墨烯,并將這種結構應用于反射型調制器的設計中,我們設計了一種基于雙層石墨烯的反射型調制器。該結構避免了多層石墨烯使用時對層數的限制,并且能提供更大的調制深度。根據硅/二氧化硅基底上的多層石墨烯結構的等效電路建立了該調制器的等