CN109037870A - 基于石墨烯纳米片的可调宽带共面波导衰减器 - Google Patents

基于石墨烯纳米片的可调宽带共面波导衰减器 Download PDF

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吴边
张亚辉
樊炽
张伟
贺连星
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Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯纳米片的宽带可调共面波导衰减器，主要解决现有传统衰减器尺寸大，不易集成，工作频带窄，制作成本高，可调结构偏置电路复杂的问题。其包括输入端口(1)，输出端口(2)，单层介质基板(5)，中心导体带(4)和金属地板(3)，中心导体带位于基板上表面的中间位置，金属地板位于基板上表面的两侧位置，中心导体带和金属地板之间设有N对石墨烯纳米片(6)，石墨烯纳米片可等效成电阻对能量进行损耗，通过调节该等效电阻值实现对能量衰减大小的调节；本发明具有结构简洁、带宽宽、频率可调，匹配好的优点，可用于相控阵天线各单元的幅度加权，进行射频电路的阻抗匹配以及改善射频放大器的稳定性。

Description

基于石墨烯纳米片的可调宽带共面波导衰减器
技术领域
本发明属于射频电子器件领域，特别涉及一种可调宽带共面波导衰减器，可用于相控阵天线的幅度加权、改善匹配网络以及功率放大器的稳定性。
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，且其表面电阻率可以通过施加偏置电压进行调节。近年来石墨烯的制备方法研究取得了很大进展，这使得它应用于微波毫米波器件的设计成为现实，而将其应用于微波器件的设计也将带来更多的便利与优势。
衰减器是一种重要的射频微波器件，它可将信号电平降低到期望水平，广泛用于相控阵天线各单元的幅度加权，进行射频电路的阻抗匹配以及改善射频放大器的稳定性。如果需要在一个很宽的频带内对信号的衰减度进行动态调节，则需要引入宽带可调衰减器。
传统的衰减器按照组成类型来分，主要有同轴、波导、PIN二极管等多种形式，这些衰减器多为立体结构，尺寸较大，不方便进行集成，且随着工作带宽以及频率的增加其制造成本也会越来越昂贵，所以目前对衰减器的需求向着平面结构，易于集成，衰减度可调，成本低廉，宽频带的方向转变。
2014年1月Ruo Feng Xu等人在“IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTSLETTERS”提出了“Analysis of Loaded Substrate Integrated Waveguides andAttenuators”，该衰减器虽然是平面结构，且实现了衰减度的可调，但是该衰减器需要焊接过多的PIN管，偏置电路复杂，而且工作带宽太窄。2015年8月Luca Pierantoni等人在“IEEETRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES”提出了“Broadband MicrowaveAttenuator Based on Few Layer Graphene Flakes”，首次采用石墨烯进行可调衰减器的设计，该衰减器基于微带线结构实现了在1-20GHz的宽带可调，但是这种衰减器不能实现可调范围内输入端口的匹配且衰减度在较宽的工作频带内一致性较差。
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纳米片的宽带可调共面波导衰减器，以减小可调衰减器的体积和偏电路复杂度，拓宽工作频带，并在工作频带内实现输入端口的匹配。
为实现上述目的，本发明可调共面波导衰减器，包括：包括输入端口，输出端口，金属地板，中心导体带和介质基板，其特征在于：
金属地板、中心导体带和介质基板三者共同构成特征阻抗为50Ω的共面波导传输线；
金属地板与中心导体带之间设有N对石墨烯纳米片，1<N<8，用于把从输入端口输入的能量转化为热能损耗掉，改善输入端口的匹配性能。
进一步，其特征在于，金属地板位于介质基板的两侧位置，中心导体带位于介质基板的中间位置，金属地板和中心导体带之间的距离为g，0.1mm<g<1mm，三者共同构成特征阻抗为50Ω的共面波导传输线。
进一步，其特征在于，所述介质基板的介电常数为εr，厚度为h1，其中6<εr<10，0.1mm<h1<5mm。
进一步，其特征在于，通过在金属地板与中心导体带之间施加有不同大小的电压，以改变N对石墨烯纳米片的电阻值，调节能量的衰减大小。
进一步，其特征在于，每对石墨烯纳米片之间的距离为b的取值范围为：0.03λ＜b＜0.5λ，λ为频率f＝3GHz所对应的波长，λ＝30mm；通过调节距离b，实现工作频率从3GHz到40GHz的覆盖。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1.本发明采用共面波导结构，与传统同轴、波导等立体结构的衰减器相比，结构简单，平面结构易于集成，本发明结合PCB工艺与石墨烯纳米片即可实现产品一次成型，缩短了加工时间，提高了生产效率。
2.本发明采用石墨烯纳米片作为可调电阻，与加载PIN二极管的平面结构的基片集成波导可调衰减器相比，避免了过多PIN管的焊接，以及复杂的偏置电路。
3.本发明在共面波导的缝隙间加载N对石墨烯纳米片，避免了已有技术中石墨烯可调衰减器存在的输入端口不匹配问题，且调节范围更大。
4.本发明采用N对石墨烯纳米片作为可调电阻，通过调节每对石墨烯纳米片之间的距离可以调整衰减器的工作频段。
附图说明
图1为本发明的三维结构图；
图2为图1的俯视图；
图3为图1的侧视图；
图4为本发明实施例1的电路原理图；
图5为本发明实施例2的电路原理图；
图6为本发明实施例1的传输系数S21曲线变化图；
图7为本发明实施例1的反射系数S11曲线变化图；
图8为本发明实施例2的传输系数S21曲线变化图；
图9为本发明实施例2的反射系数S21曲线变化图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例和效果进行详细说明，但本发明的实施方式不限于此：
实施例1，工作在5-21GHz的基于石墨烯纳米片的宽带可调共面波导衰减器。
参见图1、图2、图3，本实例基于石墨烯纳米片的宽带可调共面波导衰减器，包括输入端口1，输出端口2，金属地板3，中心导体带4、介质基板5和N对石墨烯纳米片6；输入端口1和输出端口2分别位于介质基板5的起始端和末端处，金属地板3位于介质基板5的上面两侧位置，中心导体带4位于介质基板5的上面中间位置，金属地板3，中心导体带4、介质基板5三者共同构成共面波导传输线，N对石墨烯纳米片6位于金属地板3和中心导体带4之间，。金属地板3的宽度W1＝11.6mm，长度L＝45mm，中心导体带4的宽度W0＝1mm，长度L＝45mm，金属地板3和中心导体带4的厚度均为h0＝0.018mm，两者之间的间距g＝0.4mm，介质基板5的宽度为W1×2+W0+g×2，长度为L,介电常数为εr＝10，厚度为h1＝0.508mm，石墨烯纳米片6的长度a＝0.8mm，方阻为Rs。本实施例取N＝3，每对石墨烯纳米片之间的距离b＝1.8mm，其电路原理图如图4所示。
参见图4，每个石墨烯纳米片的方阻为Rs，长度为a，宽度为g，其电阻值为Rs×(g/a),所以每个石墨烯纳米片可等效为一个集总电阻Rd＝Rs×(g/a)，因石墨烯纳米片6位于金属地板3和中心导体带4之间，所以在电路原理图中等效电阻Rd一端接地，另一端接信号线，三对等效电阻Rd等间距分布在50Ω共面波导传输线上，所有电阻Rd为并联关系，并联总电阻为Rd/6，能量从输入端口1进来，依次经过三对电阻Rd时会产生损耗；在金属地板3与中心导体带4之间施加不同大小的电压时，可以改变等效电阻Rd的电阻值，调节能量的衰减大小。
实施例2，工作在23.5-29GHz的基于石墨烯纳米片的宽带可调共面波导衰减器。
参见图1、图2、图3，本实施例的结构与实施例1相同。所不同的是石墨烯纳米片的对数，取N＝2，每对之间的距离b，两对石墨烯纳米片之间的距离b＝10.5mm，其电路原理图如图5所示。
参见图5，每个石墨烯纳米片的方阻为Rs，长度为a，宽度为g，其电阻值为Rs×(g/a),所以每个石墨烯纳米片可等效为一个集总电阻Rd＝Rs×(g/a)，因石墨烯纳米片6位于金属地板3和中心导体带4之间，所以在电路原理图中等效电阻Rd一端接地，另一端接信号线，两对等效电阻Rd中心对称分布在50Ω共面波导传输线上，所有电阻Rd为并联关系，并联总电阻为Rd/4，能量从输入端口1进来，依次经过两对电阻Rd时会产生损耗；在金属地板3与中心导体带4之间施加不同大小的电压时，可以改变等效电阻Rd的电阻值，调节能量的衰减大小。
本发明效果可通过以下仿真进一步说明：
仿真1，对本发明实施例1可调衰减器的传输特性进行仿真，Rd从750Ω调节到100Ω，结果如图6所示，S21代表输出端口接收到的从输入端口输入的能量，六条曲线分别代表不同Rd取值下的S21。
由图6可知，本发明实施例1的传输特性曲线在5～21GHz的频段范围内，可以实现从-2dB到-14dB的调节范围，波动范围小于2dB，整体处于稳定工作状态。
仿真2，对本发明实施例1可调衰减器的反射特性进行仿真，Rd从750Ω调节到100Ω，结果如图7所示，其中S11代表输入端口处反射回来的能量，六条曲线代表不同Rd取值下的S11。
由图7总体看，本发明实施例1基于石墨烯纳米片的宽带可调共面波导衰减器能实现在5～21GHz频带内反射特性曲线S11小于-10dB，表明该衰减器反射的能量很少，阻抗匹配较好，可靠性高。
仿真3，对本发明实施例2的可调衰减器的传输特性进行仿真，Rd从600Ω调节到75Ω，结果如图8所示，其中，S21代表输出端口接收到的从输入端口输入的能量，六条曲线分别代表不同Rd取值下的S21。
由图8可知，本发明实施例2基于石墨烯纳米片的宽带可调共面波导衰减器的传输特性曲线在23.5～29GHz的频段范围内，可以实现从-3dB到-15dB的调节范围，波动范围小于2dB，整体处于稳定工作状态。
仿真4，对本发明实施例2可调衰减器的反射特性进行仿真，Rd从600Ω调节到75Ω，结果如图9所示，其中S11代表输入端口处反射回来的能量，六条曲线代表不同Rd取值下的S11。
由图9总体看，本发明实施例2基于石墨烯纳米片的宽带可调共面波导衰减器能实现在23.5～29GHz频带内反射特性曲线S11小于-10dB，表明该衰减器反射的能量很少，阻抗匹配较好，可靠性高。
综上，本发明能以较为简洁的结构实现可调衰减器的功能，且调节范围更大，工作频带更宽，输入端口匹配更好。
上述实施例为本发明较佳的两个实施方式，但不构成对本发明的任何限制，显然在不背离本发明的精神实质与原理下可作出不同改变、修饰、替代、组合和简化，但这些等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于石墨烯纳米片的宽带可调共面波导衰减器，包括输入端口(1)，输出端口(2)，金属地板(3)，中心导体带(4)和介质基板(5)，其特征在于：
金属地板(3)、中心导体带(4)和介质基板(5)三者共同构成特征阻抗为50Ω的共面波导传输线；
金属地板(3)与中心导体带(4)之间设有N对石墨烯纳米片(6)，1<N<8，用于把从输入端口(1)输入的能量转化为热能损耗掉，改善输入端口(1)的匹配性能。
2.根据权利要求1所述的衰减器，其特征在于，金属地板(3)位于介质基板(5)上面的两侧位置，中心导体带(4)位于介质基板(5)上面的中间位置，金属地板(3)和中心导体带(4)之间的距离为g，0.1mm<g<1mm，三者共同构成特征阻抗为50Ω的共面波导传输线。
3.根据权利要求1所述的衰减器，其特征在于，所述介质基板(5)的介电常数为εr，厚度为h1，其中6<εr<10，0.1mm<h1<5mm。
4.根据权利要求1所述的衰减器，其特征在于，通过在金属地板(3)与中心导体带(4)之间施加有不同大小的电压，以改变N对石墨烯纳米片(6)的电阻值，调节能量的衰减大小。
5.根据权利要求1所述的衰减器，其特征在于，每对石墨烯纳米片(6)之间的距离为b的取值范围为：0.03λ＜b＜0.5λ，λ为频率f＝3GHz所对应的波长，λ＝30mm；通过调节距离b，实现工作频率从3GHz到40GHz的覆盖。
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