CN103956538B - 一种基于石墨烯的低损耗介质移相器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯的低损耗介质移相器，包括衬底、导体组件及电介质层，所述电介质层位于衬底的上方，所述导体组件采用石墨烯制作而成。本发明具有结构简单紧凑、制作简便、能够实现低能量损耗、大相移度、低成本、阻抗自匹配等优点。

Description

一种基于石墨烯的低损耗介质移相器

技术领域

本发明主要涉及到微波射频电路领域，特指一种基于石墨烯的低导体损耗和阻抗自匹配的高频电介质移相器。

背景技术

电扫描天线阵列在通信系统、相控阵雷达、缺陷检测等领域中都有重要应用。移相器是电扫描天线阵列的核心组成部分，决定了系统的性能和成本。移相速度快、移相精度高、插入损耗小、功率容量大、体积小、重量轻、成本低廉、可靠性高是毫米波移相器的发展需求。微波移相器的实现方法越来越多，如半导体二级管移相器、砷化镓晶体管开关式移相器、铁氧体移相器、介质移相器。这些移相器中，介质移相器具有响应速度快、插入损耗小、工作温区宽、功耗小、质量轻、生产成本低等优点，是当前移相器研究的重点与热点。

介质移相器在高频、甚高频应用中，均存在导体损耗大的问题，而决定导体损耗的主要因素是导体的电导率。现有的介质移相器，传输线多采用金属材料，其中电导率较高的金属有银(61MSiemens/m)、铜(58MSiemens/m)和金(41MSiemens/m)。虽然银和铜的电导率高，但其抗钝化性、电镀平整度都不如金，故当前研究多采用金作为传输线。

但在高频应用中，以金或银作为传输线的介质移相器，导体损耗非常大，这导致传输距离太短，移相器的相移度无法做得很大；或者需要额外的放大器，引入更高的成本和更大的噪声。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、制作简便、能够实现低能量损耗、大相移度、低成本、阻抗自匹配的基于石墨烯的低损耗介质移相器。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于石墨烯的低损耗介质移相器，包括衬底、导体组件及电介质层，所述电介质层位于衬底的上方，所述导体组件采用石墨烯制作而成。

作为本发明的进一步改进：所述导体组件包括第一金属层和传输线，所述第一金属层镀设于衬底上作为参考地，所述第一金属层上沉积一层电介质作为电介质层，所述传输线制作于电介质层上，所述传输线用石墨烯制备而成。

作为本发明的进一步改进：所述传输线与电介质层之间设有一层很薄的第二金属层。

作为本发明的进一步改进：所述传输线的入射端或出射端处设置一个以上用来施加偏置电压的偏置电压控制电极，每个偏置电压控制电极施加不同的偏置电压。

作为本发明的进一步改进：所述电介质层为电介质薄膜并直接置于衬底上，所述导体组件位于电介质薄膜上，所述导体组件包括传输线和参考地单元，所述传输线位于中间，所述传输线的两侧为参考地单元；所述传输线和参考地单元均用石墨烯制备而成。

作为本发明的进一步改进：所述传输线与电介质层之间、所述参考地单元与电介质层之间均设有第二金属层。

作为本发明的进一步改进：所述传输线和参考地单元的入射端或出射端处设置一个以上用来施加偏置电压的偏置电压控制电极，每个偏置电压控制电极施加不同的偏置电压。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的基于石墨烯的低损耗介质移相器，结构简单紧凑、制作简便，以石墨烯作为导体组件，获得了更低的导体损耗、更高的功率容量，可实现阻抗自匹配，使得移相器更多的输入能量能够通过传输线到达输出端，从而降低了移相器对功率放大器等有源器件的需求，降低微波系统的成本与功耗。

附图说明

图1是本发明在具体实施例1中的原理示意图。

图2是本发明在具体实施例2中的原理示意图。

图3是本发明在具体实施例3中的原理示意图。

图4是本发明在具体实施例4中的原理示意图。

图5是本发明在具体实施例2的基础上采用偏置电压控制电极后的原理示意图。

图6是本发明在具体实施例4的基础上采用偏置电压控制电极后的原理示意图。

图例说明：

1、传输线；2、电介质层；3、第一金属层；4、衬底；5、第二金属层；6、参考地单元；7、第一电极；8、第二电极；9、第三电极；10、第四电极。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明的基于石墨烯的低损耗介质移相器，包括衬底4、导体组件及电介质层2，衬底4的材料根据实际需要可以采用硅、多孔硅、石英、蓝宝石、氧化铝陶瓷、或玻璃纤维等材料。该导体组件采用石墨烯制作而成。石墨烯是一种导电性能良好的非金属，室温下即可得到较高的导电率，约有100MSiemens/m。本发明为了降低高频应用下移相器传输线导体损耗，采用石墨烯材料替代金属传输线，在室温下实现低损耗高频信号传输。此外，介质移相器的尺寸往往随着工作频率的提高相应减小，这就会引起器件的特征阻抗远小于业界要求的50欧姆的标准值。阻抗严重不匹配会带来回波损耗大等严重后果，因此在设计高频介质移相器时，实现器件本身的阻抗匹配是一个直观重要的问题。本发明为了实现器件具备自阻抗匹配功能，同样也是通过采用石墨烯这一功能材料来达到这一效果。

实施例1：如图1所示，以微带线移相器为例，微带线与其他波导等传输线器件相比，其优点是体积小、重量轻、使用频带宽、可靠性高和制造成本低。但其有两个较为明显的缺限，即能量损耗较大、功率容量小。在该结构中，导体组件包括第一金属层3和传输线1，第一金属层3镀设于衬底4上作为参考地，第一金属层3上沉积一层介电常数可调的电介质作为电介质层2，即作为移相度调谐的基础；传输线1则制作于电介质层2上。

在本发明中，传输线1用石墨烯制备而成。石墨烯的电导率远大于自然界中的金属，且其与相等厚度金属相比，功率容量明显增大，所以本发明采用石墨烯作为微带线介质移相器的传输线1，从而达到传输损耗低、功率容量大的优点。

本实施例中，在石墨烯制作的传输线1与电介质层2之间设有一层很薄的第二金属层5，第二金属层5的形状与传输线1的形状相同。第二金属层5采用粘合性好的金属，如铬、镍等金属。将石墨烯制备在第二金属层5上，由于第二金属层5的金属具有更好的粘附效果，在这里起到粘附剂的作用，工艺制作上更容易实现，同时不失特定条件下电导率大的优势。

本发明不仅适用于图例所示的直线型移相器，微带线结构还可以应用到折线型、曲线型移相器，以及平行电容型移相器、耦合电容型移相器等。

制作时，首先在衬底4上制作第一金属层3，作为地电极；然后在地电极上制作一层电介质薄膜作为电介质层2；接着根据所需电极形状，在介质薄膜上蒸一层很薄的金属作为第二金属层5；最后，在第二金属层5上设置一层石墨烯作为传输线1。

实施例2：如图2所示，该实施例的结构与实施例1基本一致，不同之处就在于：用石墨烯制作的传输线1直接制作于电介质层2上，即制作时石墨烯直接在电介质层2上制作而成。

由于高频移相器的损耗大一方面表现在导体损耗引起的插入损耗大，本发明通过采用高电导率的石墨烯材料替代传统金属传输线来改进，如上述发明内容所述；而另一方面表现在器件的特征阻抗很小，通常会小于10欧姆，如不进行有效的阻抗匹配，就会带来严重的回波损耗，这个问题本发明也可以通过石墨烯材料来改进。

石墨烯的化学势能够有效影响其构成的传输线的特征阻抗，而对石墨烯材料施加偏压能够改变其化学势，这样就可以采用对石墨烯施加偏压控制来改变其特征阻抗的方法，使其成为能够实现阻抗自匹配的高频移相器件。本发明进一步设置一个以上用来对传输线1的入射端或出射端处施加偏置电压的偏置电压控制电极，例如，如图5所示，在入射端的第一电极7和第二电极8上分别施加不同的偏置电压，来调节其下方的石墨烯的化学势，从而调节入射端的传输线1的特征阻抗，达到逐级匹配的目的。而施加的电极的数目可以为多个，不局限于两个，且偏置电极的形状、大小都可以根据需要随意设计；偏置电极的材料为金属，可以灵活选择。

实施例3：如图3所示，以共面波导移相器（又称共面微带传输线）为例，在该结构中，电介质层2为电介质薄膜，其直接生长于衬底4上，作为介质移相器移相度可调谐的基础。导体组件位于电介质薄膜上，其包括传输线1和参考地单元6，传输线1位于中间，传输线1的两侧为参考地单元6。

在本发明中，传输线1和参考地单元6均用石墨烯制备而成。石墨烯的电导率远大于自然界中的金属，且其与相等厚度金属相比，功率容量明显增大，所以本发明采用石墨烯作为微带线介质移相器的传输线1，从而达到传输损耗低、功率容量大的优点。

本实施例中，在石墨烯制作的传输线1与电介质层2、参考地单元6与电介质层2之间设有一层很薄的第二金属层5。第二金属层5采用粘合性好的金属，如铬、镍等金属。将石墨烯制备在第二金属层5上，由于第二金属层5的金属具有更好的粘附效果，在这里起到粘附剂的作用，工艺制作上更容易实现，同时不失特定条件下电导率大的优势。

本发明不仅适用于图例所示的直线型移相器，也可以应用到折线型、曲线型移相器，以及串接电感、电容的移相器、耦合电容型移相器等。

制作时，首先在衬底4上制作一层电介质薄膜作为电介质层2；然后，根据所需电极形状，在介质薄膜上蒸一层很薄的金属作为第二金属层5；最后在第二金属层5上设置一层石墨烯作为传输线1和参考地单元6。

实施例4：如图4所示，该实施例的结构与实施例3基本一致，不同之处就在于：用石墨烯制作的传输线1和参考地单元6直接制作于电介质层2上，即制作时石墨烯直接在电介质层2上制作而成。

由于高频移相器的损耗大一方面表现在导体损耗引起的插入损耗大，本发明通过采用高电导率的石墨烯材料替代传统金属传输线来改进，如上述发明内容所述；而另一方面表现在器件的特征阻抗很小，通常会小于10欧姆，如不进行有效的阻抗匹配，就会带来严重的回波损耗，这个问题本发明也可以通过石墨烯材料来改进。

石墨烯的化学势能够有效影响其构成的传输线的特征阻抗，而对石墨烯材料施加偏压能够改变其化学势，这样就可以采用对石墨烯施加偏压控制来改变其特征阻抗的方法，使其成为能够实现阻抗自匹配的高频移相器件。本发明进一步设置一个以上用来对传输线1的入射端或出射端处施加偏置电压的偏置电压控制电极，例如，如图6所示，在入射端的第一电极7和第二电极8上分别施加不同的偏置电压，来调节其下方的石墨烯的化学势，从而调节入射端的传输线1的特征阻抗，达到逐级匹配的目的。且还进一步在参考地单元6上也设置有第三电极9和第四电极10。施加的电极的数目可以为多个，不局限于两个，且偏置电极的形状、大小都可以根据需要随意设计；偏置电极的材料为金属，可以灵活选择。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于石墨烯的低损耗介质移相器，包括衬底（4）、导体组件及电介质层（2），所述电介质层（2）位于衬底（4）的上方，其特征在于，所述导体组件采用石墨烯制作而成；所述导体组件包括第一金属层（3）和传输线（1），所述第一金属层（3）镀设于衬底（4）上作为参考地，所述第一金属层（3）上沉积一层电介质作为电介质层（2），所述传输线（1）制作于电介质层（2）上，所述传输线（1）用石墨烯制备而成；所述传输线（1）的入射端或出射端处设置一个以上用来施加偏置电压的偏置电压控制电极，每个偏置电压控制电极施加不同的偏置电压。

2.根据权利要求1所述的基于石墨烯的低损耗介质移相器，其特征在于，所述传输线（1）与电介质层（2）之间设有一层很薄的第二金属层（5）。

3.一种基于石墨烯的低损耗介质移相器，包括衬底（4）、导体组件及电介质层（2），所述电介质层（2）位于衬底（4）的上方，其特征在于，所述导体组件采用石墨烯制作而成；所述电介质层（2）为电介质薄膜并直接置于衬底（4）上，所述导体组件位于电介质薄膜上，所述导体组件包括传输线（1）和参考地单元（6），所述传输线（1）位于中间，所述传输线（1）的两侧为参考地单元（6）；所述传输线（1）和参考地单元（6）均用石墨烯制备而成；所述传输线（1）和参考地单元（6）的入射端或出射端处设置一个以上用来施加偏置电压的偏置电压控制电极，每个偏置电压控制电极施加不同的偏置电压。

4.根据权利要求3所述的基于石墨烯的低损耗介质移相器，其特征在于，所述传输线（1）与电介质层（2）之间、所述参考地单元（6）与电介质层（2）之间均设有第二金属层（5）。