CN110148824A - 一种微波衰减器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波衰减器，其包括衬底、设置在衬底上的共面波导、第一吸收电阻与第二吸收电阻，共面波导包括共面波导信号线与关于共面波导信号线对称放置的第一共面波导地线和第二共面波导地线，第一吸收电阻位于共面波导信号线与第一共面波导地线之间，第二吸收电阻位于共面波导信号线与第二共面波导地线之间，第一吸收电阻和第二吸收电阻包括石墨烯薄膜，通过施加调控电压来调节石墨烯薄膜电阻大小以调节共面波导信号线上微波功率的衰减量。上述微波衰减器将石墨烯薄膜作为吸收电阻，通过在驱动电极上施加电压调控吸收电阻的阻值大小，实现多种衰减量的可重构，使器件微波性能和适用性大幅提高，同时减小了器件尺寸。

Description

一种微波衰减器

技术领域

本发明涉及微电子器件技术领域，特别涉及一种利用石墨烯薄膜作为吸收电阻，通过在驱动电极上施加电压调控吸收电阻的阻值大小来实现不同的衰减量，从而达到调节微波信号功率的微波衰减器。

背景技术

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。微波衰减器由于可以在宽频带内对微波功率进行衰减控制，消除多级微波放大电路各级之间输出功率的不匹配，增加系统的可靠性和稳定性，因此有着十分重要的作用。微波衰减器针对多级微波放大电路中前级放大电路输出功率与后级放大电路输入功率的不匹配，通过使用吸收电阻等阻抗元件构成衰减电路拓扑结构，得到一定的衰减量以调节过大的前级放大电路输出功率，实现各级微波放大电路在工作频段内输入输出功率的合理分配。

目前，微波衰减器按其原理分为反射式和吸收式两种，按其传输介质则分为波导式、同轴式和集成传输式三种。反射式微波衰减器是采用隔离器加无耗衰减网络的方式，使得衰减网络反射回来的能量被隔离器消耗，这种方法设计简便，而且隔离器的输入输出驻波较小，然而，采用隔离器使得其体积较大，无法与电路集成，且难以实现宽带工作。吸收式微波衰减器是采用吸收电阻的方式，通过吸收电阻对能量加以消耗，这种方法具有体积小、易于集成、能够实现宽带工作等优势，但是设计困难，驻波特性较之隔离器稍差。由于集成传输线结构为平面结构，能够与微电子工艺相兼容，因此应用最为广泛。上述两类微波衰减器虽然各有不同，但是其有一个共同的特点，就是只能针对某一特定的衰减量进行设计，无法实现衰减量的可重构，但是，对于微波放大电路来说，其各级微波放大电路的输入输出功率会随着工作时间的增加而变化，使得微波衰减器失去了应有的作用，导致整个微波放大电路性能的劣化。

为了解决上述问题，两种可重构微波衰减器结构被提出，一种采用PIN二极管结合吸收电阻构成衰减电路，通过驱动电压控制PIN二极管的通断，进而实现衰减量的调节。然而，PIN二极管由于在隔离度、插入损耗、截止频率、功耗等方面的问题，影响了采用PIN二极管的可重构微波衰减器结构的微波性能。另一种是基于MEMS技术，利用微机械开关控制微波衰减器多个吸收电阻的接入，实现在线实时的衰减量之间的转换。微机械开关具有高隔离度、低插入损耗、高截止频率、低功耗等优势，但同时存在器件尺寸大，响应速度慢，机械稳定性差等弊端。

发明内容

本发明的目的是本发明目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种微波衰减器，该衰减器采用石墨烯薄膜作为吸收电阻，通过在驱动电极上施加电压调控吸收电阻的阻值大小来实现在线实时衰减量之间的转换，达到既能有效调节微波信号功率，改善器件的微波性能，又减小器件尺寸，提高灵敏度与机械稳定性。

为实现上述目的，本发明提供了一种微波衰减器，其包括衬底、设置在衬底上的共面波导、第一吸收电阻与第二吸收电阻，共面波导包括共面波导信号线与关于共面波导信号线对称放置的第一共面波导地线和第二共面波导地线，第一吸收电阻位于共面波导信号线与第一共面波导地线之间，第二吸收电阻位于共面波导信号线与第二共面波导地线之间，第一吸收电阻和第二吸收电阻包括石墨烯薄膜，通过施加调控电压来调节石墨烯薄膜电阻大小以调节共面波导信号线上微波功率的衰减量。

进一步的，第一吸收电阻的一端接第一共面波导地线，第一吸收电阻的另一端接共面波导信号线；第二吸收电阻的一端接第二共面波导地线，第二吸收电阻的另一端接共面波导信号线。

进一步的，第一吸收电阻和第二吸收电阻之间相距四分之一的工作波长。

进一步的，工作波长的范围为4mm-17mm。

进一步的，第一吸收电阻包括依次设置的第一石墨烯薄膜、第一介质层与第一驱动电极；第二吸收电阻包括依次设置的第二石墨烯薄膜、第二介质层与第二驱动电极。

进一步的，第一驱动电极与第二驱动电极位于衬底上。

进一步的，第一石墨烯薄膜与第二石墨烯薄膜的形状为矩形，矩形的长度范围为200um-1000um，宽度范围为20um-100um，厚度范围为0.2nm-1nm。

进一步的，第一驱动电极与第二驱动电极的厚度为50nm-200nm，材质为金属铜或金。

进一步的，第一介质层与第二介质层的厚度为200nm-500nm，材质为二氧化硅或氮化硅。

进一步的，衬底的材质为LCP或Si。

相比于现有技术，本发明具有如下的技术效果：

本发明提供的微波衰减器包括衬底、设置在衬底上的共面波导、第一吸收电阻与第二吸收电阻，共面波导包括共面波导信号线与关于共面波导信号线对称放置的第一共面波导地线和第二共面波导地线，第一吸收电阻位于共面波导信号线与第一共面波导地线之间，第二吸收电阻位于共面波导信号线与第二共面波导地线之间，第一吸收电阻和第二吸收电阻包括石墨烯薄膜，通过施加调控电压来调节石墨烯薄膜电阻大小以调节共面波导信号线上微波功率的衰减量。上述微波衰减器通过在线利用电压控制石墨烯薄膜电阻来接入不同阻值大小的吸收电阻，实现了微波衰减器的可重构，使器件微波性能和适用性大幅提高，同时可减小器件尺寸，具有器件灵敏度高、结构简单、频率范围宽、工艺兼容性好、集成度高等优点。该结构能够解决在材料、工艺、可靠性、可重复性和生产成本等诸多方面的问题，从而为实现二维材料在微波器件中的产业化应用提供了支持和保证。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种微波衰减器的结构示意图。

其中：1、共面波导；11、共面波导地线；12、第一共面波导地线；13、第二共面波导地线；2、第一吸收电阻；21、第一驱动电极；22、第一介质层；23、第一石墨烯薄膜；3、第二吸收电阻；31、第二驱动电极；32、第二介质层；33、第二石墨烯薄膜。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

本发明实施例提供一种微波衰减器，如图1所示，该衰减器包括衬底、设置在衬底上的共面波导1、第一吸收电阻2与第二吸收电阻3，共面波导1包括共面波导信号线11与关于共面波导信号11线对称放置的第一共面波导地线12和第二共面波导地线13，第一吸收电阻2位于共面波导信号线11与第一共面波导地线之12间，第二吸收电阻3位于共面波导信号线11与第二共面波导地线13之间，第一吸收电阻2和第二吸收电阻3包括石墨烯薄膜，通过施加调控电压来调节石墨烯薄膜电阻大小以调节共面波导信号线上微波功率的衰减量。

其中，衬底1提供支撑与固定作用，衬底1的材质为硅(Si)或液晶聚合物柔性材料(LCP)。

共面波导1包括共面波导信号线11和关于共面波导信号线11对称放置的第一共面波导地线12和第二共面波导地线13。

优选的，第一吸收电阻2的一端接第一共面波导地线12，第一吸收电阻2的另一端接共面波导信号线11；第二吸收电阻3的一端接第二共面波导地线13，第二吸收电阻3的另一端接共面波导信号线11。

优选的，第一吸收电阻2和第二吸收电阻3之间相距四分之一的工作波长。

优选的，工作波长的范围为4mm-17mm。

优选的，对于相对介电常数为11的衬底Si的情况，工作波长范围为5mm-9mm。

优选的，对于相对介电常数为3的衬底LCP的情况，工作波长范围为8mm-17mm。

优选的，第一吸收电阻2包括依次设置的第一驱动电极21、第一介质层22与第一石墨烯薄膜23，通过在第一驱动电极21上施加调控电压来调节第一石墨烯薄膜的23电阻即吸收电阻的电阻值大小，用于调节共面波导信号线11上微波功率的衰减量。

优选的，第二吸收电阻3包括依次设置的第二驱动电极31、第二介质层32与第二石墨烯薄膜33，通过在第二驱动电极31上施加调控电压来调节第二石墨烯薄膜33电阻即吸收电阻的电阻值大小，用于调节共面波导信号线11上微波功率的衰减量。

优选的，第一驱动电极21位于衬底1上，第二介质层22位于第一驱动电极21的上方，第一石墨烯薄膜23位于第二介质层22的上方；第二驱动电极31位于衬底1上，第二介质层32位于第二驱动电极31的上方，第二石墨烯薄膜33位于第二介质层32的上方。

优选的，第一驱动电极21与第二驱动电极31的厚度为50nm-200nm，材质为金属铜或金。

优选的，第一介质层22与第二介质层32的厚度为200nm-500nm，材质为二氧化硅或氮化硅。

优选的，第一石墨烯薄膜23与第二石墨烯薄膜33的形状为矩形，矩形的尺寸为长度范围为200um-1000um，宽度范围为20um-100um，厚度范围为0.2nm-1nm。

优选的，矩形尺寸为500um*50um*1nm，即长度为500um，宽度为50um，厚度为1nm。

工作原理：本发明提供的基于电压调控石墨烯薄膜结构的可重构微波衰减器，以LCP或Si为衬底，在LCP或Si衬底上设有共面波导，在共面波导的信号线与地线之间采用石墨烯薄膜作为吸收电阻。由于石墨烯薄膜独特的能带结构和电子输运性质，可以通过施加栅极电压的方式来对石墨烯薄膜的电阻率进行调控。按照如图1所示的吸收电阻的三层结构，将石墨烯转移至表面有几百纳米厚的SiO2绝缘层的驱动电极上，通过在驱动电极上施加调控电压，就能在石墨烯薄膜上形成一个电场，即可调节石墨烯的费米能级EF以及相应的载流子密度，随着EF逐渐靠近狄拉克点，有效载流子的数目会减少，从而使得电阻率增加并在狄拉克点处达到最大值。本发明利用石墨烯薄膜这一独特的电学性质，将其应用到微波衰减器中，通过在驱动电极上施加调控电压对石墨烯薄膜的电阻进行调控，从而获得不同的衰减量，实现微波衰减器的可重构。

相比于现有技术中微波衰减器采用只针对某一特定衰减量的设计，或是采用PIN二极管实现结构的可重构，这些方法具有微波性能差、可选择性少等缺点，制约了微波衰减器在放大电路中的应用。而本发明提供的微波衰减器基于电压调控石墨烯薄膜结构实现重构，通过在线利用电压控制石墨烯薄膜电阻来接入不同阻值大小的吸收电阻，实现了微波衰减器的可重构，从而获得了器件微波性能和适用性的大幅提高，为微波放大电路在宽频带下各级之间优良的匹配性、可靠性和性能稳定性提供了关键支撑。

同时，由于石墨烯材料拥有良好的导电性，优异的机械性能，同时石墨烯的平面几何形状适合于光刻工艺。采用石墨烯薄膜作为吸收电阻，可以减小器件尺寸从而提高其灵敏度，有效的改善了整个器件的微波性能。该结构能够解决在材料、工艺、可靠性、可重复性和生产成本等诸多方面的问题，从而为实现二维材料在微波器件中的产业化应用提供了支持和保证。基于电压调控石墨烯薄膜结构的可重构微波衰减器具有器件灵敏度高、结构简单、频率范围宽、工艺兼容性好、集成度高等优点，为微波放大电路在宽频带下各级之间优良的匹配性、可靠性和性能稳定性提供了关键支撑。

综上，本发明中的基于电压调控石墨烯薄膜结构的可重构微波衰减器不同于传统可重构衰减器结构，其具有以下主要特点：一、采用石墨烯薄膜作为吸收电阻，利用调控电压改变石墨烯薄膜的电阻，使得微波衰减器可以实现多种衰减量的可重构；二、利用控制电压实时大范围调控吸收电阻的阻值，大大提高了各种衰减量的可选择范围；三、基于电压调控石墨烯薄膜结构的可重构微波衰减器几乎不增加整个器件的面积，集成度高；四、基于电压调控石墨烯薄膜结构的可重构微波衰减器的制作无需特殊的材料和工艺，能够与Si或LCPMMIC工艺完全兼容。

区分是否为该结构的标准如下：

(a)采用共面波导结构；

(b)采用石墨烯薄膜作为吸收电阻；

(c)采用调控电压调控石墨烯薄膜的电阻实现不同的衰减量。

满足以上三个条件的结构即应视为该基于电压调控石墨烯薄膜结构的可重构微波衰减器的结构。

本发明中的基于电压调控石墨烯薄膜结构的可重构微波衰减器结构可以实现在射频系统中的产业化应用，进而推动微波放大模块产业的发展。

通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能单元，以完成以上描述的全部或者部分功能。上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种微波衰减器，其特征在于，所述微波衰减器包括衬底、设置在所述衬底上的共面波导、第一吸收电阻与第二吸收电阻，所述共面波导包括共面波导信号线与关于所述共面波导信号线对称放置的第一共面波导地线和第二共面波导地线，所述第一吸收电阻位于所述共面波导信号线与所述第一共面波导地线之间，所述第二吸收电阻位于所述共面波导信号线与所述第二共面波导地线之间，所述第一吸收电阻和所述第二吸收电阻包括石墨烯薄膜，通过施加调控电压来调节所述石墨烯薄膜电阻大小以调节所述共面波导信号线上微波功率的衰减量。

2.根据权利要求1所述的微波衰减器，其特征在于，所述第一吸收电阻的一端接所述第一共面波导地线，所述第一吸收电阻的另一端接所述共面波导信号线；所述第二吸收电阻的一端接所述第二共面波导地线，所述第二吸收电阻的另一端接所述共面波导信号线。

3.根据权利要求1所述的微波衰减器，其特征在于，所述第一吸收电阻和所述第二吸收电阻之间相距四分之一的工作波长。

4.根据权利要求3所述的微波衰减器，其特征在于，所述工作波长范围为4mm-17mm。

5.根据权利要求1所述的微波衰减器，其特征在于，所述第一吸收电阻包括依次设置的第一石墨烯薄膜、第一介质层与第一驱动电极；所述第二吸收电阻包括依次设置的第二石墨烯薄膜、第二介质层与第二驱动电极。

6.根据权利要求5所述的微波衰减器，其特征在于，所述第一驱动电极与所述第二驱动电极位于所述衬底上。

7.根据权利要求5所述的微波衰减器，其特征在于，所述第一石墨烯薄膜与所述第二石墨烯薄膜的形状为矩形，所述矩形的长度范围为200um-1000um，宽度范围为20um-100um，厚度范围为0.2nm-1nm。

8.根据权利要求1所述的微波衰减器，其特征在于，所述第一驱动电极与所述第二驱动电极的厚度为50nm-200nm，材质为金属铜或金。

9.根据权利要求1所述的微波衰减器，其特征在于，所述第一介质层与所述第二介质层的厚度为200nm-500nm，材质为二氧化硅或氮化硅。

10.根据权利要求1所述的微波衰减器，其特征在于，所述衬底的材质为LCP或Si。