CN105703045A - 一种微波衰减器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波衰减器，属于微波无源器件技术领域。该微波衰减器包括衬底、电介质层、金属导线、金属地线与薄膜电阻，所述薄膜电阻为单层石墨烯。本发明所提出的微波衰减器结构体积小，易于集成，工作频带宽，既可作为固定衰减器又可作为可变衰减器，也可实现电控或光控可变衰减器。

Description

一种微波衰减器

技术领域

本发明属于微波无源器件技术领域，具体涉及一种微波衰减器。

背景技术

衰减器是一种常用的微波无源器件，广泛应用于无线通信、雷达、器件测试等多个领域。它可以在指定频率范围内，对传播的电信号引入一个预定的衰减。其主要用途是调节输入信号的电平，使之适应多种端口对电平的要求。随着微电子技术的发展，高性能的衰减器需要具备尺寸小、易于集成、工作频带宽等特点，现有的衰减器结构通常无法兼顾。此外，可以自由改变损耗的可变衰减器也是该领域的研究重点之一，现有利用无源器件和有源器件的实现方法，前者利用开关进行损耗的调节，难以实现衰减量的连续变化；后者结构较复杂，包含多个PIN管或FET等有源器件。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于石墨烯的微波衰减器。

为达到本发明的上述目的，本发明提供的微波衰减器(如图1所示)，包括衬底1、电介质层2、金属导线3、金属地线4与薄膜电阻5。所述衬底材料可为硅(Si)或砷化镓(GaAs)；所述电介质层位于衬底上方，材料可为二氧化硅(SiO₂)或其他电绝缘性好的材料；所述金属导线、地线的材料可为金、银、铜或其它导电性能良好的金属。所述薄膜电阻采用单层石墨烯制作而成。

金属导线宽度在10μm至200μm之间、高度在0.1μm至10μm之间；金属地线宽度在50μm至300μm之间；导线与地线间距为10μm至100μm之间；金属导线缝隙宽度在2μm至50μm之间；薄膜电阻长度须大于金属缝隙宽度、小于器件总长度。具体数值需要在电磁仿真软件中计算与设计，如图2中简化的等效电路所示，一是调节石墨烯薄膜带来的电阻R₁、R₂的大小，使输入信号的衰减量达到预定的数值；二是使阻抗匹配，减少反射；三是使导线缝隙处容抗C₁与导线、地线间容抗C₂的作用尽可能相互抵消，以增大工作频宽。

作为本发明的进一步改进：如图3所示，所述石墨烯薄膜电阻使用“工”字形的结构。此结构有更多可调节的尺寸，灵活性强；更接近于图2所示的集总参数模型，便于分析与计算。

作为本发明的进一步改进：所述石墨烯薄膜电阻的上方加设金属电极，以在垂直方向提供偏压，改变石墨烯电导率，实现可变衰减器结构。

本发明还可实现电控可变衰减器，即若在图1石墨烯薄膜上方加设一铜电极，其上可加偏压，通过调节偏压改变石墨烯的化学势，调控范围可在0.4eV至1.2eV(常温下)，即实现电控可变衰减器。

本发明还可实现光控可变衰减器，结构与图1基本一致，不同之处在于，衬底材料选用砷化镓，并光照石墨烯薄膜电阻，通过调节光强改变石墨烯的化学势，实现光控可变衰减器。

本发明所提出的基于石墨烯与共面波导结构的微波衰减器平面结构的体积小，结构简单，易于集成、工作频带宽、既可作为固定衰减器又可作为可变衰减器。以衰减量设为10dB时的情况为例，其带宽达40GHz，带内波动小于1dB；外加偏压作为可变衰减器时，调节范围±3dB；且可实现电控或光控可变衰减器。

附图说明

图1为本发明实施例微波衰减器的结构示意图；

图2为本发明微波衰减器的简化等效电路；

图3为本发明为利用工字形石墨烯薄膜电阻的微波衰减器结构示意图。

具体实施方式

下面通过实例对本发明做进一步说明。需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

实施例1：一种石墨烯共面波导固定衰减器。如图1所示，包括硅衬底1、二氧化硅电介质层2、铜或铝导线3、铜或铝地线4与石墨烯薄膜电阻5。

制作时，首先对硅片进行氧化，在硅片表面形成约20μm厚度的二氧化硅，作为电介质层；其次，在电介质层上制备单层石墨烯并刻蚀，形状为宽约360μm，长300μm的矩形；之后，制备导线与地线，导线宽190μm，中间留20μm长的空隙，空隙中心与石墨烯薄膜电阻的中心重合，地线宽250μm，距导线20μm。

制备单层石墨烯具体工艺可用化学气相沉积(CVD)生长或机械剥离。前者须在铜片上生长石墨烯，之后转移到电介质层表面；后者可直接在电介质层表面进行。制备出的单层石墨烯可以是悬空态，也可以紧贴衬底。

刻蚀单层石墨烯的具体工艺是，使用PMMA保护石墨烯，用电子束曝光将石墨烯图形化，之后用氧等离子体刻蚀掉未受保护的部分。

制备金属导线、地线的具体工艺是，使用电子束蒸发或电镀。若使用铝导线，以磷酸进行湿法刻蚀；若使用铜导线，可采用大马士革镶嵌工艺。

本例实现了衰减量为10dB，工作带宽40GHz的固定衰减器。

本发明石墨烯薄膜还可以位于金属线的上方而非下方，石墨烯薄膜对下方金属起到保护作用，防止其被腐蚀，增强器件的寿命与稳定性。

本发明石墨烯薄膜上方加设一铜电极，其上可加偏压，使石墨烯的化学势可在0.4eV至1.2eV的范围(常温下)改变。利用电压改变石墨烯薄膜电阻的电导率，从而控制衰减量，在保持带宽基本不变的情况下，将衰减量进行约±3dB的调节，且衰减量可以连续变化，而非离散取值。

本发明结构还可以与其他共面波导器件相结合，如共面波导传感器、共面波导天线等。在贴片天线的共面波导馈电部分引入石墨烯衰减器结构，结构简单紧凑，进一步缩小器件尺寸。

在实施例1的结构基础上，在石墨烯薄膜上方设置一铜电极，且施加偏压，通过调节偏压改变石墨烯的化学势，实现电控可变衰减器。

在实施例1的结构基础上，若衬底材料采用砷化镓，并光照石墨烯薄膜电阻，通过调节光强调控石墨烯化学势，可实现光控可变衰减器。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (4)

1.一种微波衰减器，其特征在于，包括衬底、电介质层、金属导线、金属地线与薄膜电阻，所述薄膜电阻为单层石墨烯，单层石墨烯位于金属导线的上方或下方，金属导线设有一空隙，空隙的中心与石墨烯薄膜电阻的中心重合，从而构成微波衰减器。

2.如权利要求1所述的微波衰减器，其特征在于，所述石墨烯的形状为宽约360μm，长300μm的矩形；导线宽190μm，中间留20μm长的空隙。

3.如权利要求1所述的微波衰减器，其特征在于，所述石墨烯的形状为“工”字形结构。

4.如权利要求1所述的微波衰减器，其特征在于，所述石墨烯的上方加设金属电极，以在垂直方向提供偏压，改变石墨烯电导率。