CN107248608B - 基于石墨烯薄膜的双层微带多路功分器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯薄膜的双层微带多路功分器，主要解决现有技术微带多路功率分配器需要焊接集总电阻，焊接繁琐，效率低，难以集成等问题。包括双层介质基板，输入端口，N个输出端口，上层基板上表面和下层基板下表面散射分布的微带线，两层基板之间为金属接地面，金属化过孔穿过接地面将上下层微带电连接，且不与金属接地面接触，下层基板下表面微带线集中端加载方阻500Ω/sq的圆形石墨烯薄膜。本发明采用圆形石墨烯薄膜代替传统的集总隔离电阻，采用PCB与激光刻蚀工艺，实现功分器一次成型，避免了高频时集总电阻所产生的寄生效应，实现了平面多路功分器的小型化和高隔离，用于相控阵雷达、天线馈线系统等微波通信系统。

Description

基于石墨烯薄膜的双层微带多路功分器

技术领域

本发明属于电子器件技术领域，涉及微波功分器，具体是一种基于石墨烯薄膜的紧凑型双层微带多路功率分配器，可用于相控阵雷达、天线馈线系统以及功率放大器等微波设备。

背景技术

石墨烯是具有特殊的二维结构的碳原子薄膜材料，具有单原子层厚度。并且石墨烯具有独特的电、热、力性质，近年来石墨烯的制备方法研究取得了很大进展，这使得它成为亳米波亚毫米波器件的重要材料，将其应用于无源微波器件有助于系统的集成。

功分器是一种重要的微波无源器件，广泛用于相控阵雷达、天线馈线系统以及功率放大器等微波设备。在阵列天线和功率合成系统中，需要将一路信号能量分成多路输出至不同的单元，同时各输出端口之间不能存在能量传输，即各输出端口之间相互隔离，这就需要引入多路功分器。Wilkinson功分器是一类最常用的功分结构，它将隔离电阻直接串联在电路中，结构紧凑且具有高隔离度。

目前功分器实现多路输出主要有两种方案。第一种是利用二进制树状结构进行多路功分，这种结构容易调整输出端口数量，并且能够在平面结构下实现高隔离，但是随着路数的增加其尺寸会越来越大，不适用于小型化。第二种是腔体多路功分器，腔体多路功分器以其低损耗、高功率容量和较宽的传输带宽等优良特性倍受青睐，但它有着体积过大，加工成本较高，不适用于平面结构的集成化等缺点，使其应用也产生了一定的局限性。

2013年5月王焕烛等人在“2013年全国微波毫米波会议论文集”提出了“一种新型平面五路功分器的设计与实现”，基于Wilkinson功分器设计理论，引入双层基片结构，将跨接电阻排布在第二层基片上，实现了直接一分五，很好地解决了树状结构平面多路功分器尺寸大的问题，降低了树状结构多级扩展所带来的损耗。该功分器路数为5路，路数较少，隔离电阻为集总电阻，此时集总电阻的焊接尚不会有什么困难，但是当路数增加时，达到九路甚至更多，过多的电阻焊接则费时费力，而且集总电阻在高频时会产生一定的寄生效应，影响功分器的性能。

发明内容

本发明目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于石墨烯薄膜的双层微带多路功率分配器。

本发明是一种基于石墨烯薄膜的双层微带多路功分器，包括双层微带介质基板，一个输入端口，N个输出端口，位于上层基板上表面的上层微带和下层基板下表面的下层微带和圆形锯齿状结构；上层介质基板的下表面和下层介质基板的上表面为覆铜的金属接地面以及金属化过孔，金属化过孔穿过接地面，但不与金属接地面电连接，将上下层微带和连通，上下层微带线均为散射型分布，上下共有2N条，上层每条微带线为四分之一波长传输线，集中接到输入端口，下层微带线为半波长传输线，集中接到圆形锯齿状结构，其特征在于，下层半波长微带线集中接到圆形锯齿状结构，散射型分布的下层微带线与圆形锯齿状结构呈犬牙交错状；未加载石墨烯薄膜时每条半波长传输线末端均与圆形锯齿状结构间隔一个V字形缝隙，加载方阻为500Ω/sq的圆形石墨烯薄膜到下层基板下表面的圆形锯齿状结构处，并覆盖犬牙交错的V字形缝隙，被石墨烯薄膜覆盖的V字形缝隙等效为隔离电阻；总功率从输入端口接入，从N个输出端口输出，构成基于石墨烯薄膜的双层微带多路功分器。

本发明采用双层微带结构，将隔离网络置于基板下层，并且将石墨烯有耗薄膜加载到功分器隔离网络中，通过加载一块圆形石墨烯薄膜来代替多个隔离电阻，避免了电阻焊接和集总电阻在高频时所产生的寄生效应影响，实现了高度集成和高隔离度，在功分器的实际生产过程中，由PCB工艺结合激光刻蚀技术即可实现产品一次成型，省时省工。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明采用单片石墨烯薄膜作为各功率分配端口的隔离电阻，与传统的需要焊接集总电阻的功分器相比，避免了传统多路功分器隔离电阻逐个焊接的过程，本发明结合PCB工艺与激光刻蚀工艺，可以实现一次成型，缩短了加工所需时间，提高了生产效率，实现了平面结构功分器的小型化，更加便于集成，且适合批量生产。

2.本发明采用石墨烯薄膜作为隔离电阻，与传统功分器焊接集总电阻相比，避免了焊接过程中虚焊，焊锡互连，高温造成基板变形等问题，可靠性更高。

3.本发明采用石墨烯薄膜作为隔离电阻，因石墨烯薄膜寄生效应较集总电阻小，避免了集总电阻在高频时的寄生效应对功分器性能带来的恶劣影响，所以本发明的工作频率易拓展至毫米波波段。

附图说明

图1为本发明的三维结构图；

图2为图1的上层结构图；

图3为图1的下层结构图；

图4为图3的局部放大示意图(a)加载石墨烯薄膜前(b)加载石墨烯薄膜后；

图5为本发明的侧面结构图；

图6为本发明的电路原理图；

图7为本发明实施例7传输响应S(2 1)～S(9 1)曲线图；

图8为本发明实施例7反射系数S(1 1)及隔离参数S(2 3)～S(9 10)曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明详细说明，但本发明的实施方式不限于此：

实施例1

功分器是一种重要的微波无源器件，广泛用于相控阵雷达、天线馈线系统以及功率放大器等微波设备。目前应用于无线通信系统射频前端的微波无源器件在不断朝着小型化和高集成化方向发展，小型化和易于集成已经成为衡量微波器件性能的一个重要指标，目前平面结构的多路功分器常采用二进制树状结构，但是随着功分路数的增加树状结构的尺寸会越来越大，不适用于小型化，且目前平面功分器隔离电阻多采用焊接集总电阻的方式，2013年王焕烛等人所提出的新型平面五路功分器，采用双层微带结构实现了直接一分五，解决了树状结构平面多路功分器尺寸大的问题，降低了树状结构多级扩展所带来的损耗，该功分器路数为5路，其隔离电阻采用集总电阻。当功分路数较少时集总电阻的焊接尚不会有什么困难，但是当路数增加时，达到九路甚至更多时，过多的电阻焊接则费时费力，且在焊接过程中容易出现虚焊，高温造成基板变形，焊锡互连等问题，不利于小型化与批量生产，而且集总电阻在高频时会产生一定的寄生效应，使得集总电阻所起的隔离作用变差，影响功分器的性能。

针对上述存在的技术问题，本发明展开了开发与研究，提出一种基于石墨烯薄膜的双层微带多路功分器，参见图1，本发明包括双层微带介质基板，上层微带介质基板11,下层微带介质基板12，输入端口1，N个输出端口，参见图1，输出端口分别为2，3，4，(N+1)/2，...，N，N+1；位于上层介质基板11上表面的上层微带14和下层基板12下表面的下层微带15和圆形锯齿状结构18，上层介质基板11的下表面和下层介质基板12的上表面为覆铜的金属接地面13以及金属化过孔16。参见图5，金属化过孔16穿过接地面13，但不与金属接地面13电连接，过孔16将上层微带14和下层微带15连通，上下层微带线均为散射型分布且位置相互对应，上下层均有N条微带线，共有2N条，上层基板上表面的每条微带线为四分之一波长传输线，集中接到输入端口1，下层基板下表面的每条微带线为半波长传输线，集中接到圆形锯齿状结构18，参见图4，散射型分布的下层微带线与圆形锯齿状结构呈犬牙交错状；未加载石墨烯薄膜时每条半波长传输线末端均与圆形锯齿状结构间隔一个V字形缝隙，加载方阻为500Ω/sq的圆形石墨烯薄膜17到下层基板下表面的圆形锯齿状结构处，并覆盖犬牙交错的V字形缝隙，被石墨烯薄膜覆盖的V字形缝隙等效为隔离电阻；总功率从输入端口1接入，经由上层微带线14分配，从N个输出端口输出，分别是从端口2，3，4，(N+1)/2，...，N，N+1输出，下层基板12的下表面下层微带线15公共端加载石墨烯薄膜17等效隔离电阻，构成基于石墨烯薄膜的双层微带多路功分器。

在大型相控阵天线的馈电网络中需要大规模的功分网络，相应的所需要的隔离电阻的数目也急剧增加，若采用常规的集总电阻挨个焊接的方式则费事费力，生产效率较低，本发明采用单片石墨烯薄膜作为各功率分配端口的隔离电阻，结合PCB工艺与激光刻蚀工艺，实现一次成型，解决了传统平面多路功分器有限空间内需要焊接大量集总电阻的麻烦，以及焊接过程中容易出现的虚焊，焊锡互连，高温造成基板变形等问题，本发明生产效率更高，更加便于集成于相控阵天线的馈电网络，且适合工程化批量生产。

实施例2

基于石墨烯薄膜的双层微带多路功分器的总体结构同实施例1，本例中的上层介质基板11和下层介质基板12均采用高频印刷线路板Rogers4350B，Rogers4350B的介电常数为ε_r＝3.48，上层微带14的四分之一波长传输线特征阻抗为N为功分器的路数，随着路数的增加，四分之一波长传输线的特性阻抗会随之而增加，当路数较多比如九路时，上层微带14的四分之一波长传输线的特征阻抗为150欧，此时微带线的宽度在0.1～0.3mm，考虑到产品实际加工过程中高阻抗微带线的线宽较小，对加工精度要求较高，容易产生加工误差影响产品的性能，利用微带线的线宽随着基板的厚度增加而增加的特性，所以可通过增加上层基板11的厚度以增加四分之一波长传输线的线宽，尽量减小加工误差。下层微带15的半波长传输线特征阻抗为50欧，相比于上层微带的四分之一波长传输线，下层微带15的半波长传输线线宽相对要宽，大于1mm，加工也较容易，所以下层基板12的厚度相对上层基板11较小。参见图5，上层基板11板厚为h1＝1.625mm，下层基板12的厚度为h2＝0.254mm。

本例中通过调整基板厚度来弥补高阻抗线因线宽较小所带来的加工误差，降低了加工难度，进一步提升了生产效率。

实施例3

基于石墨烯薄膜的双层微带多路功分器的总体结构同实施例1-2，参见图3，图4，下层基板12的下表面为下层微带15和圆形锯齿状结构18，下层微带15包含N条散射型分布的半波长传输线，每条半波长传输线部分均采用弯折线结构，便于进行小型化设计，本例中下层微带半波长传输线共5段，总体呈勾状，由下层微带集中端开始，第一段长度占半波长传输线总长的46％，第二段长度占半波长传输线总长的7％，第三段长度占半波长传输线总长的25％，第四段长度占半波长传输线总长的7％，第五段长度占半波长传输线总长的15％，每相邻两段之间进行90弯折，根据实际工程需要弯折线结构可进行多次弯折、反向弯折等，各段长度所占半波长传输线总长的比例也可进行灵活调整。

实施例4

基于石墨烯薄膜的双层微带多路功分器的总体结构同实施例1-3，参见图6，图6为本发明的电路原理图，任意两个输出端口间通过两条半波长传输线和等效隔离电阻连接，两条半波长传输线共产生360度的相位延迟，用来弥补各输出端口间的相位差，使得各输出端口保持同相输出。参见图5，内部金属化过孔16连接上层微带14和下层微带15，将上下层微带线电连接。本发明基于Wilkinson功分器拓扑结构，直接实现了N等分，根据实际工程需要可以实现6等分，8等分等，本发明不再需要在下层微带集中端焊接集总电阻，实现了平面结构多路功分器的小型化。

实施例5

基于石墨烯薄膜的双层微带多路功分器的总体结构同实施例1-4，参见图4(a)，下层微带集中端与圆形锯齿状结构交错形成V字形缝隙。利用方阻500Ω/sq的圆形石墨烯薄膜17等效隔离电阻，参见图4(b)，本例中下层微带集中端与圆形锯齿状结构处所加载圆形石墨烯薄膜17的直径D＝5mm。石墨烯薄膜覆盖下层微带集中端与圆形锯齿状结构，石墨烯薄膜与下层微带集中端和圆形锯齿状结构重叠的部分相当于有耗石墨烯薄膜被短路，即重叠部分相当于只有金属，每个V字形缝隙均被石墨烯薄膜覆盖，V字形缝隙处的石墨烯薄膜可等效为一个50Ω电阻，通过圆形锯齿状结构的连接将微带线15中任意两路微带线间等效为两个50Ω电阻串联，图6是本发明的电路原理图，参见图6，最左端端口为功分器的输入端口，最右侧端口为功分器的输出端口，任意两个输出端口间接有两个50Ω电阻，两个50Ω电阻串联可以等效为Wilkinson功分器中的100Ω隔离电阻对任意两路输出信号进行隔离，无论是九路还是更多路，只需通过光刻技术加载一块圆形石墨烯薄膜就起到了100Ω隔离电阻的作用，解决了平面多路功分器有限空间内过多隔离电阻焊接的麻烦，提高了生产效率，且实现了高度集成和高隔离度。

实施例6

基于石墨烯薄膜的双层微带多路功分器的总体结构同实施例1-5，参见图4(a)，本发明下层基板下表面的圆形锯齿状结构，具体是锯齿状结构的总轮廓为圆形，圆形上半部分为锯齿形，下半部分为光滑弧形，锯齿或为尖形齿或为方形齿或为圆形齿，下层微带线的集中端末端的形状也与此相对应，未加载石墨烯薄膜时，每条半波长传输线与圆形锯齿状结构非接触，呈犬牙交错状；且未加载石墨烯薄膜时每条半波长传输线均与圆形锯齿状结构间隔一个V字形缝隙。

本例中锯齿为尖形齿时，下层微带15的半波长传输线集中端需要倒直角，末端呈三角形，锯齿为方形齿时，下层微带15的半波长传输线集中端也需要倒直角，末端呈长方形，锯齿为圆形齿时，下层微带15的半波长传输线集中端需要倒圆角，末端呈圆形。相比于圆形齿，尖形齿和方形齿的加工工艺较为简单，加工误差也更低，所以实际加工采用尖形齿或方形齿。

下面给出一个更加具体的例子对本发明进一步说明

实施例7

基于石墨烯薄膜的双层微带多路功分器的总体结构同实施例1-6，本例为基于石墨烯薄膜的双层微带九路功分器，参见图1，本例主要由上下两层基板构成，包括上层基板11和下层基板12，输入端口1，九个输出端口2,3,4,5,6,7,8,9,10；参见图2，上层微带14形成功分结构，主要包含散射型分布的九条四分之一波长传输线，四分之一波长传输线特征阻抗为3Z₀(Z₀＝50Ω)，上层微带14各部分尺寸：W1＝10mm,W2＝3.66mm,h＝10mm,L0＝60mm,H＝49mm,L1＝21.7mm，L2＝15.1mm，L1为四分之一波长。参见图3、图4，下层微带15和圆形石墨烯薄膜17，圆形锯齿状结构18形成隔离结构,九条半波长传输线各部分尺寸：L3＝19mm,L4＝3mm,L5＝10mm,L6＝3mm,L7＝6.5mm，公共端所加载圆形石墨烯薄膜17的直径D＝5mm，圆形石墨烯薄膜17等效隔离电阻。参见图5，上层微带14和下层微带15由金属化过孔16连接,本例双层基板11和12，均采用介电常数为ε_r＝3.48，板厚分别为h1＝1.625mm，h2＝0.254mm的单面覆铜介质基板，上层基板11采用单面覆铜板，下面覆铜，下层基板12也采用单面覆铜板，上面覆铜，上下两层基板的覆铜面贴合在一块作为金属接地板13，金属接地面13不与金属化过孔16接触；上层微带14位于上层基板11的上表面，下层微带15位于下层基板12的上表面。参见图4(a)，下层微带15九条半波长传输线汇聚于圆形锯齿状结构，该结构直径D＝5mm，未放置石墨烯薄膜时每根半波长传输线均与圆形锯齿状结构间隔一个V字形缝隙，该缝隙的长宽比为1:10；当把方阻为500Ω/sq的圆形石墨烯薄膜17加载到带锯齿的圆形结构时，石墨烯薄膜覆盖下层微带集中端与圆形锯齿状结构，石墨烯薄膜与下层微带集中端和圆形锯齿状结构重叠的部分相当于有耗石墨烯薄膜被短路，即重叠部分相当于只有金属，参见图4(b)，原先的V字形缝隙被圆形石墨烯薄膜17覆盖，由半导体薄膜的电阻R计算公式R＝R_S(L/W)，R_S为石墨烯薄膜的方阻，L和W为石墨烯薄膜的长和宽，且已知V字形缝隙的长宽比L/W＝1/10计算出每个被石墨烯覆盖的V字形缝隙均相当于一个R＝500×(1/10)＝50Ω的电阻，圆形锯齿状结构将任意两路的两个等效50Ω电阻电连接，图6是本发明的电路原理图，参见图6，每两路之间由两个相同的50Ω电阻串联组成一个100Ω电阻，等效为Wilkinson功分器的100Ω隔离电阻对任意两路输出信号进行隔离，实现高隔离度，避免了平面多路功分器有限空间内过多的集总电阻焊接，结合PCB工艺与激光刻蚀工艺，实现一次成型，很大程度上提升了工程生产效率，适用于大规模阵列天线的功分网络及其它无线通信系统射频前端。

下面通过仿真试验和数据对本发明的技术效果进行验证性说明

实施例8

基于石墨烯薄膜的双层微带多路功分器的总体结构同实施例1-7，

仿真条件：高频电磁仿真软件HFSS13.0，仿真频率1～4GHz

仿真内容：传输特性曲线S(m 1)；m＝2，3，…，9，10

仿真1，对本发明实施例6基于石墨烯的双层微带九路功分器的传输特性进行仿真，结果如图7所示，其中，S(m 1)曲线代表输入端口1到输出端口m之间的传输特性，其中S(2 1)、S(3 1)…S(10 1)给出了本发明九个端口的传输特性曲线。

由图7总体看，可知，本发明实施例6基于石墨烯的双层微带九路功分器的传输特性曲线走向基本一致，尤其在1.9～2.8GHz工作频段，各传输特性曲线值为-10dB左右，带内波动很小，带内波动为±0.5dB，属于允许波动范围，整体处于稳定工作状态。

实施例9

基于石墨烯薄膜的双层微带多路功分器的总体结构同实施例1-7，仿真条件同实施例8

仿真内容：回波损耗S(1 1)、端口间的隔离参数S(n p)；n，p＝2，3，…，9，10

仿真2，对本发明实施例6基于石墨烯的双层微带九路功分器的反射特性与隔离度特性进行仿真，结果如图8所示，其中S(1 1)曲线代表输入端口1的反射特性，S(n p)代表输出端口n和输出端口p之间的隔离度特性曲线，其中S(2 3)、S(3 4)…S(9 10)给出了本发明九个端口之间的隔离特性曲线。

由图8总体看，本发明实施例6基于石墨烯的双层微带九路功分器实现了1.9～2.8GHz频带内反射特性曲线S(1 1)小于-10dB，中心频率2.4GHz处反射特性曲线S(1 1)接近-40dB，表明该系统反射的能量很少，阻抗匹配较好，隔离特性曲线走向基本一致，1.9～2.8GHz频带内各个输出端口之间隔离度均大于30dB，说明本发明各个功分输出端口间的隔离很好，可靠性高。

简而言之，本发明公开的一种基于石墨烯薄膜的双层微带多路功分器，主要解决现有技术微带多路功率分配器需要焊接集总电阻，焊接繁琐，效率低等问题。包括双层介质基板，输入端口，N个输出端口，上层基板上表面和下层基板下表面散射分布微带线，两层基板之间为金属接地面，金属化过孔穿过接地面将上下层微带电连接，且不与金属接地面接触，下层基板下表面微带线集中端加载方阻500Ω/sq的圆形石墨烯薄膜。本发明采用圆形石墨烯薄膜代替传统的集总隔离电阻，采用PCB与激光刻蚀工艺，实现功分器一次成型，避免了高频时集总电阻所产生的寄生效应，实现了平面多路功分器的小型化和高隔离，用于相控阵雷达、天线馈线系统等微波通信系统。

Claims (5)

1.一种基于石墨烯薄膜的双层微带多路功分器，包括双层微带介质基板，输入端口(1)，N个输出端口，位于上层基板(11)上表面的上层微带(14)和下层基板(12)下表面的下层微带(15)和圆形锯齿状结构(18)，上层介质基板(11)的下表面和下层介质基板(12)的上表面为覆铜的金属接地面(13)以及金属化过孔(16)，金属化过孔(16)穿过接地面(13)，但不与金属接地面(13)电连接，将上层微带(14)和下层微带(15)连通；上、下层微带线均为散射型分布，上下共有2N条，上层每条微带线为四分之一波长传输线，集中接到输入端口(1)，下层微带线为半波长传输线，其特征在于，下层半波长微带线集中接到圆形锯齿状结构(18)，散射型分布的下层微带线与圆形锯齿状结构非接触，呈犬牙交错状；未加载石墨烯薄膜时每条半波长传输线末端均与圆形锯齿状结构间隔一个V字形缝隙，加载方阻为500Ω/sq的圆形石墨烯薄膜(17)到圆形锯齿状结构(18)处，并覆盖犬牙交错的V字形缝隙，被石墨烯薄膜覆盖的V字形缝隙等效为隔离电阻；总功率从输入端口接入，从N个输出端口输出，构成基于石墨烯薄膜的双层微带多路功分器。

2.根据权利要求1所述的基于石墨烯薄膜的双层微带多路功分器，其特征在于，所述上层介质基板(11)和下层介质基板(12)的介电常数均为ε_r，介电常数ε_r满足1<ε_r<5。

3.根据权利要求1所述的基于石墨烯薄膜的双层微带多路功分器，其特征在于，加载方阻为500Ω/sq圆形石墨烯薄膜(17)覆盖下层微带线集中端与圆形锯齿状结构，石墨烯薄膜与下层微带线集中端和圆形锯齿状结构重叠的部分被短路，每个被石墨烯薄膜覆盖的V字形缝隙等效为一个50Ω电阻，圆形锯齿状结构将任意两路的两个等效50Ω电阻串联，等效为Wilkinson功分器中的100Ω隔离电阻对任意两路输出信号进行隔离。

4.根据权利要求1所述的基于石墨烯薄膜的双层微带多路功分器，其特征在于，下层微带(15)包含N条散射型分布的半波长传输线，N条半波长传输线采用弯折线结构，便于进行小型化设计，每条半波长传输线均由K段传输线组成，每段长度分别为l₁，l₂…l_k，各段长度l₁，l₂…l_k满足l₁+l₂+…+l_k＝λ/2，λ为功分器中心工作频率所对应波长，每相邻两段之间进行α度弯折，α满足0<α<180，根据实际工程需要弯折线结构可进行多次弯折、反向弯折。

5.根据权利要求1所述的基于石墨烯薄膜的双层微带多路功分器，其特征在于，下层基板下表面的圆形锯齿状结构，具体是锯齿状结构总轮廓为圆形，圆形上半部分为锯齿形，下半部分为光滑弧形，所述锯齿状结构或为尖形齿或为方形齿或圆形齿，下层微带线集中端末端的形状也与此相对应。