参考文献
第8章 新型铁氧体环行器设计方法
8.1 概述
本书介绍了基于粒子模拟方法的大功率铁氧体环行器微放电三维数值模拟、阈值分析方法，以及基于不同设计、材料和工艺的微放电抑制方法与实现技术。第2章和第3章中对不同表面状态下材料的二次电子发射特性进行模拟与分析，第4～6章讨论了微放电抑制的新方法与新技术，第7章研究了具有不同表面状态和二次电子发射特性的铁氧体环行器微放电演变过程中表面电荷积累、微放电电子运动轨迹、二次电子谐振倍增过程和微放电阈值功率的差异。在此基础上，本章进一步探索新型铁氧体环行器的设计方法。
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。
8.2.1 光子晶体太赫兹波导
如图8-1所示，在二维空间中采用介质柱周期性排列形成光子晶体。在光子晶体中介电常数εr（r）呈现周期性分布：
式中，A——介质柱排列周期，m。
将式（8-1）代入麦克斯韦方程组，数值求解可得到光子晶体中空间任意位置处的电磁场分布。数值求解方法可采用时域有限差分（FDTD）法或有限元方法（finite element method，FEM）。类比于固体物理中的晶体结构，通过特殊设计，在光子晶体中将呈现电磁场的周期性局域势场，从而产生电磁场传输带通或带阻特性。
图8-1 光子晶体波导三维结构示意图
图8-1所示为方形排列周期性介质硅柱构成的光子晶体结构，图8-2所示为等边三角形排列周期性介质柱。硅的介电常数为εr1=11.9，通过周期性排列，电磁场被多层介质柱衰减，起到电磁屏蔽作用，在介质柱中间的真空区域传输。
图8-2 等边三角形排列光子晶体波导二维结构示意图
通过调节排列周期性参数d与介质柱尺寸r0，可实现工作频率通带的调节。对于方形排列周期性介质柱，当d=750 μm与r0=375 μm时，其电性能如图8-3所示，实现了中心频率为200 GHz，相对带宽约为20%的电磁场传输。对于等边三角形排列周期性介质柱，当d=750 μm与r0=375 μm时，同样实现了中心频率为200 GHz，相对带宽约为20%的电磁场传输。可以看出，对于两种不同物理结构的光子晶体波导而言，具有相似的电性能，可以根据所需设计器件的物理结构进行选择。
图8-3 光子晶体波导电性能仿真结果（附彩图）
8.2.2 光子晶体太赫兹铁氧体环行器
铁磁性介质块材是铁氧体环行器的重要组成部分。通常而言，铁磁性介质特性呈现各向异性，磁导率张量决定了环行器的电磁场不可逆传输特性以及环行特性。若外加偏置磁场H0方向垂直于磁性介质表面，则磁导率张量可根据式（7-1）～式（7-5）计算得到。将相对磁导率张量代入麦克斯韦方程组进行数值求解可得到空间中加载铁磁性介质的电磁场分布。为了在太赫兹频段实现较小的插损和较大的隔离度，选择柘榴石型铁氧体进行环行器的设计。
如图8-4所示，为太赫兹铁氧体环行器的三维结构模型，H0表示外加偏置磁场（单位为A/m），rg表示铁氧体半径，P1～P2表示端口1～端口3。首先，通过周期性等边三角形排列的介质柱形成光子晶体导波结构；然后，通过铁氧体介质柱的空间排布实现电磁场的环行。其中，外加磁偏置平行于介质柱高度方向。
图8-4 基于光子晶体的铁氧体环行器三维模型示意图
通过调节周期性排列的硅介质柱与铁氧体介质柱的尺寸，实现了工作于中心频率为205 GHz时较好匹配下的电磁场定向传输，电性能参数和电磁场分布如图8-5和图8-6所示。
图8-5 基于光子晶体的铁氧体环行器电性能参数
根据仿真结果可知，基于光子晶体三维结构结合铁氧体介质实现了电磁场的定向不可逆传输；在中心频率为205 GHz时，工作带宽为3 GHz，隔离度为-25 dB，回波损耗为-15 dB；相较于仅能在点频处工作的环行器设计，更符合实际工程应用需要。而且，采用的柘榴石型铁氧体具有损耗低、易于实现的特点。
图8-6 基于光子晶体的铁氧体环行器在频率f0=205 GHz时的三维电场分布图（附彩图）
8.3 本章小结
本章基于光子晶体波导提出了一种太赫兹铁氧体环行器设计方法。通过多层高介电常数介质柱的周期性排列首先实现了低导电损耗下的太赫兹波传输；通过平面耦合实现了太赫兹铁氧体环行器设计，在中心频率为205 GHz时，隔离度为-25 dB，回波损耗为-15 dB，实现了较好的工作性能。这种方法具有平面化、损耗小、可集成度高和便于系统设计等优点，在太赫兹系统设计中具有较大的应用潜力。
参考文献
[1]李允植.太赫兹科学与技术原理[M].崔万照，李韵，史平彦，等译.北京：国防工业出版社，2012.
[2]PEIPONEN K-E，ZEITLER J A，KUWATA-GONOKAMI M.太赫兹光谱与成像[M].崔万照，李韵，史平彦，等译.北京：国防工业出版社，2016.
[3]SHALABY M,PECCIANTI M,OZTURK Y,et al.A magnetic nonreciprocal isolator for broadband terahertz operation[J].Nature Communications,2013,4(3):1558.
[4]JOHN S.Strong localization of photons in certain disordered dielectric superlattices[J].Physical Review Letters,1987,58(23):2486-2489.
[5]SMIGAJ W,ROMEROVIVAS J,GRALAK B,et al.Magneto-optical circulator designed for operation in a uniform external magnetic field[J].Optics Letters,2010,35(4):568-570.
[6]FAN F,CHANG S J,NIU C,et al.Magnetically tunable silicon-ferrite photonic crystals for terahertz circulator[J].Optics Communications,2012,285(18):3763-3769.
图2-4 采用离子清洗前和清洗后的铝合金镀银样片的SEY测量曲线
图2-5 不同入射角度下未清洗的铝合金镀银样片的SEY测量曲线
图2-6 不同入射角度下采用离子清洗后的铝合金样片SEY测量曲线
图2-7 不同入射角度下未采用离子清洗的铝合金镀银样片SEY曲线测量值与模型拟合值
（a）0°；（b）20°；（c）40°
图2-8 不同入射角度下采用离子清洗的铝合金样片SEY曲线测量值与模型拟合值
（a）0°；（b）20°（c）40°
图2-10 铝合金镀银样片的SEE能谱曲线
图2-12 具有不同表面随机粗糙度样片的微观三维形貌图
（a）Ra=0.1 μm；（b）Ra=0.3 μm；（c）Ra=1.6 μm；（d）Ra=2.3 μm；（e）Ra=3.9 μm；（f）Ra=6.4 μm
图2-13 具有不同表面随机粗糙度样片在不同入射角度下的SEY曲线
（a）Ra=0.1 μm；（b）Ra=0.3 μm；（c）Ra=1.6 μm；（d）Ra=2.3 μm；（e）Ra=3.9 μm；（f）Ra=6.4 μm
图2-14 具有不同表面随机粗糙度样片在不同入射角度下的δmax变化趋势
图2-15 非规则微孔隙表面三维形貌
（a）AR=0.75；（b）AR=1.17；（c）AR=1.38；（d）AR=1.34
图2-16 非规则微孔隙表面在不同入射角度下的δmax变化趋势
图2-20 金属阻抗变换器中不同表面状态下粒子入射角度概率密度分布
（a）初始化阶段；（b）发生微放电阶段
图2-21 金属同轴腔体滤波器中不同表面状态下粒子入射角度概率密度分布
（a）初始化阶段；（b）发生微放电阶段
图2-22 不同表面状态下粒子入射能量概率密度分布
（a）阻抗变换器；（b）同轴腔体滤波器
图2-23 不同表面状态下粒子数目随时间变化趋势
（a）阻抗变换器；（b）同轴腔体滤波器
图2-24 金属微波部件中微放电阈值随二次电子发射特性参数的变化情况
图3-6 金属/真空界面上的电场分布
（a）λa=0.001；（b）λa=0.01；（c）λa=0.1
图3-8 真空/介质界面上的电场分布
图3-11 具有微结构磁性介质/真空界面上不同Sr下的SEY曲线
图3-12 具有微结构磁性介质/真空界面上不同λa下的SEY
图3-13 具有微结构真空/磁性介质界面上不同Edc下的SEY
图3-14 具有微结构真空/磁性介质界面上不同B下SEY曲线
图3-15 具有微结构铁氧体SEY模拟结果与测试结果对比
图4-3 激光刻蚀加工规则表面及一定剂量电子辐照前后铝表面SEY随入射电子能量变化关系
（a）激光刻蚀后金属表面形貌图像；（b）刻蚀和辐照前后金属铝表面SEY随入射电子能量变化关系
图4-4 光刻辅助的化学腐蚀圆形陷阱结构SEY抑制研究
（a）圆形陷阱结构的激光显微镜图像；（b）圆形陷阱结构制备前后表面SEY随入射电子能量变化关系
图4-5 微波部件微纳陷阱结构表面SEY抑制研究
（a）微波部件图像与陷阱结构形貌；（b）处理前后表面SEY随入射电子能量变化关系
图4-6 激光刻蚀微纳陷阱结构SEY抑制研究
（a）激光刻蚀陷阱结构形貌；（b）表面SEY随入射电子能量变化关系
图4-9 化学腐蚀前后硅片表面SEY
图4-11 基于氩离子轰击的二次电子发射特性研究
图4-15 紫外曝光结合反应离子刻蚀技术制备的规则周期陷阱结构表面SEY曲线
图4-17 规则周期陷阱结构表面SEY
图4-18 微波部件表面Alodine镀层微放电抑制研究
（a）波导变换段；（b）试验件微放电阈值；（c）试验件微放电后；（d）不同配方厚度镀膜的插损
图4-19 非晶碳层石墨化后的二次电子发射抑制研究
图4-20 铝表面氟碳镀层SEY研究
（a）不同表面SEY随入射电子能量变化关系；（b）计算结果与试验对比
图4-22 石墨表面SEY随入射电子能量的变化关系
图4-23 在大气及氮气环境长时间放置下的SEY变化
图4-25 基于金纳米结构复合处理技术的二次电子发射抑制研究
（a）金纳米结构扫描电子显微镜图像；（b）表面SEY随入射电子能量变化关系
图5-1 不同材料表面，SEY随入射电子能量的变化关系
图5-6 氧化硅表面石墨烯薄膜原子力显微镜图像与拉曼光谱数据
（a）～（c）石墨烯原子力显微镜图像；（d）不同生长时间的石墨烯拉曼光谱
图5-9 不同基片的纳米石墨烯薄膜拉曼光谱和特征峰强比统计结果
（a）10个不同区域石墨烯拉曼光谱；（b）D峰与G峰的峰强比值
图5-11 两步法生长石墨烯拉曼光谱数据
（a）样品#01任取2点拉曼光谱；（b）样品#02任取2点拉曼光谱；（c）样品#03任取3点拉曼光谱；（d）样品#04任取2点拉曼光谱
图5-12 两步法生长石墨烯薄膜
（a）分立薄膜；（b）连续薄膜
图5-13 氧化铝表面石墨烯薄膜原子力显微镜图像
图5-14 氧化硅表面石墨烯转移至目标基片流程图
图5-16 单层石墨烯薄膜表面原子力显微镜图像
（a）残胶去除前；（b）残胶去除后
图5-19 重掺杂硅不同厚度石墨烯镀膜，SEY随入射电子能量变化
图5-22 金属铜不同厚度纳米石墨烯镀膜，SEY随入射电子能量变化
图5-23 金属银不同厚度纳米石墨烯镀膜，SEY随入射电子能量变化
图5-24 不同入射角度下，铜基片石墨烯镀膜表面SEY随入射电子能量的变化
图5-27 不同入射角度下，银基片石墨烯镀膜表面SEY随入射电子能量的变化
图5-28 银基片石墨烯镀膜表面SEY均匀性分析
图5-29 随着石墨烯生长时间的延长，金属表面对应的E1
图5-30 不同厚度石墨烯镀膜，可提升微放电阈值幅度分析
图5-31 干燥环境下，不同厚度镀膜样品SEY最大值随时间变化分析
图5-32 不同粗糙度表面，单层石墨烯原子力显微镜图像
（a）粗糙度为0.15 nm，单层厚度为0.59 nm；（b）粗糙度为0.28 nm，单层厚度为0.86 nm
图6-1 原子层沉积保形性均匀镀膜
（a）原子层沉积保形薄膜示意图；（b）原子层沉积扫描电子显微镜图像
图6-7 SEY随入射电子能量的变化关系
图6-8 同一样品，不同区域的SEY随入射电子能量的变化
图6-10 不同氮化钛镀膜厚度下，SEY随入射电子能量的变化关系
图6-17 氮化钛/碳复合纳米薄膜，SEY随入射电子能量的变化关系
图6-27 微波部件铝合金材料表面石墨烯转移镀膜过程示意图
图6-28 不同表面处理铝合金镀银，SEY随入射电子能量的变化
图7-4 单基片铁氧体环行器电性能仿真结果
图7-5 工作频率为3.25 GHz的单基片铁氧体环行器电场分布
图7-6 单基片铁氧体环行器及其电性能测试结果
（a）器件实物；（b）电性能测试结果
图7-8 不同电荷积累场下电子与材料表面的碰撞能量、碰撞角度和电子运动轨迹（Erf=104 V/m）
（a）电子碰撞能量、碰撞角度；（b）电子运动轨迹
图7-9 不同电荷积累场下电子与材料表面的碰撞能量、碰撞角度和电子运动轨迹（Erf=105 V/m）
（a）电子碰撞能量、碰撞角度；（b）电子运动轨迹
图7-10 不同电荷积累场下电子与材料表面的碰撞能量、碰撞角度和电子运动轨迹（Erf=106 V/m）
（a）电子碰撞能量、碰撞角度；（b）电子运动轨迹
图7-11 不同电荷积累场下电子与材料表面的碰撞能量、碰撞角度和电子运动轨迹（Erf=107 V/m）
（a）电子碰撞能量、碰撞角度；（b）电子运动轨迹
图7-12 不同静磁场作用下的电子回旋运动轨迹
图7-13 不同静磁场作用下的电子碰撞能量和角度
图7-16 铁氧体样片与银样片的SEY测量结果与模型拟合结果
图7-18 5阶阻抗变换器
（a）对称结构的三维模型；（b）计算区域中总粒子数目随时间变化的趋势
图7-19 脊波导滤波器
（a）三维模型；（b）计算区域中总粒子数目随时间变化的趋势
图7-23 铁氧体环行器微放电电子聚集效应三维图
（a）相位聚集效应；（b）二次电子倍增效应
图7-28 平滑表面铁氧体环行器中变化情况
（a）平均SEY随时间变化曲线；（b）铁氧体介质表面积累电荷量随时间变化曲线
图7-31 具有平滑表面金属和微结构表面铁氧体介质环行器
（a）平均SEY随时间变化曲线；（b）铁氧体介质表面积累电荷量随时间变化曲线
图7-32 当输入功率不同时，具有不同表面状态的铁氧体环行器中总粒子数目随时间演变
（a）平滑表面铁氧体环行器；（b）具有微结构表面铁氧体-平滑表面金属环行器
图7-34 具有微孔结构的银样片和铁氧体样片SEY测量结果
图7-37 铁氧体介质样片表面形貌
（a）原样；（b）制备表面微结构阵列
图7-39 铁氧体环行器电性能测试结果
（a）S参数；（b）S21
图7-41 第一组铁氧体环行器
（a）微放电调零信号跳变示意图；（b）微放电痕迹
图8-3 光子晶体波导电性能仿真结果
图8-6 基于光子晶体的铁氧体环行器在频率f0=205 GHz时的三维电场分布图