8.2　基于光子晶体的太赫兹铁氧体环行器设计方法研究

旋磁性铁氧体在微波频段得到广泛应用，构成了环行器、隔离器、微波开关等电磁传输不可逆器件，实现了特殊的电磁性能。在前面的章节基于航天器大功率磁性器件应用领域，研究了大功率铁氧体环行器中材料表面二次电子发射特性、表面状态对二次电子发射特性的影响、微放电数值模拟方法、介质微放电演变机理和基于表面处理、石墨烯、原子层沉积等技术的微放电抑制新方法与新技术，为更大功率、更优性能的航天器系统设计提供了基础数据、分析方法与技术途径。

在本节中，针对更高频率——亚毫米波至太赫兹频段的电磁传输不可逆性能实现，介绍基于光子晶体的新型铁氧体环行器设计，为磁性器件的研究提供新的方案与潜在应用。

太赫兹频段具有比微波频段高1～4个数量级的带宽特性和相对于光波波段较高的能量转换效率，在超高速空间通信、医学成像、安全检查等领域具有重要应用[1-2]。对于太赫兹通信系统，电磁传输不可逆器件是不可缺少的关键性元器件，在发射通道回波功率的隔离、收发共用系统的功率隔离等方面起到重要作用。电磁传输不可逆元器件通常基于各向异性介质电磁特性进行设计和实现，使得电磁场的传输沿特定方向进行。

目前，太赫兹相关研究主要围绕太赫兹源、太赫兹波探测和控制展开。随着电磁技术（尤其是半导体工艺）的进一步发展，基于电磁技术的太赫兹器件研究得到广泛的关注与长足发展。2012年，Shalaby等[3]基于光学法拉第效应提出了电磁传输不可逆环行器件，相对带宽达到10%。但是该器件结合了铁氧体块材，具有较大的体积，为空间三维结构，不适用于平面系统。光子晶体的概念最初由John[4]于1987年提出，类比于固体物理中天然分子晶体的概念，采用周期性排列的金属（或介质）形成电磁场在特定范围内的局限性传输作用。可以采用薛定谔方程求解周期性势场中的光子运动，也可基于麦克斯韦方程组求解周期性结构中的电磁场分布。Smigaj等[5]基于磁性光子晶体开展了光学频段的环行器研究，Fan等[6]于2012年探索基于光子晶体的太赫兹频段平面环行器。但是受限于铁磁性介质的损耗特性和光子晶体的损耗，该环行器仅在点频处具有隔离特性，而且传输特性较差，无法在实际太赫兹系统中应用。

本节基于三维光子晶体波导形成损耗较小的太赫兹导波结构，在此基础上对铁氧体介质材料进行结构优化，形成电磁场的定向传输，从而构造太赫兹环行器。同时，通过对各项电磁性能参数进行优化，获得最优的电磁场性能，实现太赫兹频段的电磁场环行设计。