CN110148826A - 一种基于电压调控石墨烯薄膜结构的可重构微波功率分配器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电压调控石墨烯薄膜结构的可重构微波功率分配器，该功率分配器包括微波功率输入端，第一输出端、第二输出端，放置在微带线之间的第一接入电阻、第二接入电阻和第三接入电阻，其中，所述第一接入电阻包括依次堆叠的第一驱动电极、第一介质层、第一石墨烯薄膜，所述第二接入电阻包括依次堆叠的第二驱动电极、第二介质层、第二石墨烯薄膜，所述第三接入电阻包括依次堆叠的第三驱动电极、第三介质层、第三石墨烯薄膜；上述微波功率分配器利用石墨烯薄膜作为可变电阻，通过施加调控电压调控石墨烯薄膜的电阻值大小，调控微带线的连接与断开，实现微波功率分配器的可重构，极大拓展了微波功率分配器的实际适用性。

Description

一种基于电压调控石墨烯薄膜结构的可重构微波功率分配器

技术领域

本发明属于微电子器件技术领域，具体涉及一种基于电压调控石墨烯薄膜结构的可重构微波功率分配器。

背景技术

随着现代无线通信系统的快速发展，在军用与民用应用领域中微波技术得到了大量使用。功率分配器作为现代微波通信系统中的关键器件，对整个系统的性能起到了重要的作用。它主要用于把进入输入端的微波功率，按照目标要求分成若干功率输出，起到分配功率的效果；反之，当把多个端口当作输入时，它就会将多股功率合成一股，从而达到功率合成的效果。这类器件一般大量使用在大功率系统的功率合成与分配中。

现有的功率分配器从结构上主要分为无源功率分配器和有源功率分配器两大类。无源功率分配器由无源元件组成，它的主要特点是工作稳定，结构简单，基本上无噪声，但主要缺点是接入损耗太大。有源功率分配器由放大器组成，它的主要特点是：有增益，隔离度较高，但主要缺点是噪声大，结构复杂，工作稳定性较差。按其传输介质则分为波导式、同轴式和集成传输式三种。其中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。此类功率分配器多为微带线结构，电路中的四分之一波长线与传输线的阻抗间有一定的关系，为了防止直接进行功分的电路的输出口之间的一定程度串扰，所以要把电阻添加在两分支线路间起到隔离的作用，因此此类功率分配器隔离度高，性能良好。

上述微波均衡器虽然各有不同，但是其有一个共同的特点，就是无法实现功率分配的可重构，大大限制了功率分配器的适用性。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种基于电压调控石墨烯薄膜结构的可重构微波功率分配器。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于电压调控石墨烯薄膜结构的可重构微波功率分配器，其特征在于：该微波功率分配器包括微波功率输入端、第一输出端、第二输出端；第一微带线，连接所述微波功率输入端和所述第一输出端；第二微带线，连接所述微波功率输入端和所述第二输出端；第一接入电阻，接入所述第一微带线的临近所述第一输出端的部分；第二接入电阻，接入所述第二微带线的临近所述第二输出端的部分；第三接入电阻，接入在所述第一微带线和所述第二微带线之间，且设置于所述第一接入电阻、所述第二接入电阻的输入端之前的位置；其中，所述第一接入电阻包括依次堆叠的第一驱动电极、第一介质层、第一石墨烯薄膜，所述第二接入电阻包括依次堆叠的第二驱动电极、第二介质层、第二石墨烯薄膜，所述第三接入电阻包括依次堆叠的第三驱动电极、第三介质层、第三石墨烯薄膜；通过调控电压调控所述第一石墨烯薄膜、第二石墨烯薄膜、第三石墨烯薄膜的阻值控制所述第一微带线、所述第二微带线之间的通断，实现微波功率的输出分配。

可选的，所述第一微带线包括依次连接的第一功率分配器支臂、第一功率合成器支臂、第一传输线枝节；其中，所述第一接入电阻接入所述第一功率合成器支臂和所述第一传输线枝节之间。

可选的，所述第二微带线包括依次连接的第二功率分配器支臂、第二功率合成器支臂、第二传输线枝节；其中，所述第二接入电阻接入所述第二功率合成器支臂和所述第二传输线枝节之间。

可选的，所述第一微带线和所述第二微带线结构相同。

可选的，所述第一微带线和所述第二微带线位置对称布置。

可选的，所述第一介质层、所述第二介质层、所述第三介质层的材质包括二氧化硅。

可选的，所述第三接入电阻连接在第一功率合成器支臂和第二功率合成器支臂之间。

可选的，所述第三接入电阻通过金属连接块与所述第一功率合成器支臂和所述第二功率合成器支臂相连。

本发明提出了一种基于电压调控石墨烯薄膜结构的可重构微波功率分配器，利用石墨烯薄膜作为可变电阻的主要结构，利用调控电压改变石墨烯的电阻大小，控制微带线之间的连接与断开，实现微波功率分配器的可重构；具有集成度高、节省面积、能够与Si工艺兼容的特点。

附图说明

图1为本发明实施例的一种基于电压调控石墨烯薄膜结构的可重构微波功率分配器结构示意图。

其中有：1、微波功率输入端；2、第一输出端；3、第二输出端；4、第一微带线；5、第二微带线；6、第一接入电阻；7、第二接入电阻；8、第三接入电阻；9、第一驱动电极；10、第一介质层；11、第一石墨烯薄膜；12、第二驱动电极；13、第二介质层；14、第二石墨烯薄膜；15、第三驱动电极；16、第三介质层；17、第三石墨烯薄膜；18、金属连接块；41、第一功率分配器支臂；42、第一功率合成器支臂；43、第一传输线枝节；51、第二功率分配器支臂；52、第二功率合成器支臂；53、第二传输线枝节。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明提出一种基于电压调控石墨烯薄膜结构的可重构微波功率分配器以微带线传输微波功率，在微带线之间采用石墨烯薄膜作为可变电阻。由于石墨烯薄膜独特的能带结构和电子输运性质，可以通过调控电压对石墨烯薄膜的电阻率进行调控，石墨烯薄膜作为可变电阻连接不同的微带线枝节，达到输出功率可重构的目的。

如图1所示，本发明所提出的基于电压调控石墨烯薄膜结构的可重构微波功率分配器包括：微波功率输入端1、第一输出端2、第二输出端3；

第一微带线4，连接所述微波功率输入端1和所述第一输出端2；

第二微带线5，连接所述微波功率输入端1和所述第二输出端3；

第一接入电阻6，接入所述第一微带线4的临近所述第一输出端2的部分；

第二接入电阻7，接入所述第二微带线5的临近所述第二输出端3的部分；

第三接入电阻8，接入在所述第一微带线4和所述第二微带线5之间，且设置于所述第一接入电阻6、所述第二接入电阻7的输入端之前的位置；

其中，所述第一接入电阻6包括依次堆叠的第一驱动电极9、第一介质层10、第一石墨烯薄膜11，所述第二接入电阻包括依次堆叠的第二驱动电极12、第二介质层13、第二石墨烯薄膜14，所述第三接入电阻8包括依次堆叠的第三驱动电极15、第三介质层16、第三石墨烯薄膜17；

通过调控电压调控所述第一石墨烯薄膜11、第二石墨烯薄膜14、第三石墨烯薄膜17的阻值控制所述第一微带线4、所述第二微带线5之间的通断，实现微波功率的输出分配。

具体地，所述第一微带线4包括依次连接的第一功率分配器支臂41、第一功率合成器支臂42、第一传输线枝节43；其中，所述第一接入电阻6接入所述第一功率合成器支臂42和所述第一传输线枝节43之间。

具体地，所述第二微带线5包括依次连接的第二功率分配器支臂51、第二功率合成器支臂52、第二传输线枝节53；其中，所述第二接入电阻7接入所述第二功率合成器支臂52和所述第二传输线枝节53之间。

具体地，所述第一微带线4和所述第二微带线5比如具有结构相同、位置对称的结构关系。

其中，本发明中所涉及的电阻介质层，包括第一介质层10、第二介质层13、第三介质层16，其材质可以是本领域常见的介质层，例如氧化硅、氮化硅及其组合物。

其中，第三接入电阻8连接在第一功率合成器支臂42和第二功率合成器支臂52之间。具体地，第三接入电阻8通过设置在第一功率合成器支臂42、第二功率合成器支臂52上的金属连接块18与所述第一功率合成器支臂42和所述第二功率合成器支臂52建立连接。

如图1所示，第一接入电阻、第二接入电阻、第三接入电阻均具有三层结构，将石墨烯薄膜放置于表面有几百纳米厚的二氧化硅绝缘层的驱动电极上，通过在驱动电极上施加调控电压，从而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E_F以及相应的载流子密度。随着E_F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。本发明利用石墨烯这一独特的电学性质，将其应用到微波功率分配器中，通过施加调控电压对石墨烯薄膜电阻大小进行调控，调控微带线之间的电阻值，控制微带线的连接与断开，实现微波功率分配器的可重构。

通过在第一驱动电极9和第二驱动电极12施加电压分别调节第一石墨烯薄膜11和第二石墨烯薄膜14的阻值至一个很小值，同时通过在第三驱动电极15施加电压调节第三石墨烯薄膜17的阻值至一个很大值，此时第一功率合成器支臂42与第一传输线枝节43之间导通，第二功率合成器支臂52与第二传输线枝节53之间导通，而第一功率合成器支臂42与第二功率合成器支臂52之间断开，微波功率通过第一功率分配器支臂41和第二功率分配器支臂51一分为二，并由第一传输线枝节43和第二传输线枝节53输出，实现微波功率分配的目的。

通过在第一驱动电极9和第三驱动电极15施加电压分别调节第一石墨烯薄膜11和第三石墨烯薄膜17的阻值至一个很小值，同时通过在第二驱动电极12施加电压调节第二石墨烯薄膜14的阻值至一个很大值，此时第一功率合成器支臂42与第一传输线枝节43之间导通，第一功率合成器支臂42与第二功率合成器支臂52之间导通，而第二功率合成器支臂52与第二传输线枝节53之间断开，微波功率通过第一功率分配器支臂41和第二功率分配器支臂51一分为二，再通过第一功率合成器支臂42和第二功率合成支臂52将微波功率合二为一，并由第一传输线枝节43输出，实现了微波功率由第一传输线枝节43输出的目的。

通过在第二驱动电极12和第三驱动电极15施加电压分别调节第二石墨烯薄膜14和第三石墨烯薄膜17的阻值至一个很小值，同时通过在第一驱动电极9施加电压调节第一石墨烯薄膜11的阻值至一个很大值，此时第二功率合成器支臂52与第二传输线枝节53之间导通，第一功率合成器支臂42与第二功率合成器支臂52之间导通，而第一功率合成器支臂42与第一传输线枝节43之间断开，微波功率通过第一功率分配器支臂41和第二功率分配器支臂51一分为二，再通过第一功率合成器支臂42和第二功率合成支臂52将微波功率合二为一，并由第二传输线枝节53输出，实现了微波功率由第二传输线枝节53输出的目的。

基于电压调控石墨烯薄膜结构的可重构微波功率分配器具有以下主要特点：一、石墨烯薄膜作为可变电阻的主要结构，利用调控电压改变石墨烯的电阻大小，控制微带线之间的连接与断开，实现微波功率分配器的可重构；二、基于电压调控石墨烯薄膜结构的可重构微波功率分配器几乎不增加整个器件的面积，集成度高；三、基于电压调控石墨烯薄膜结构的可重构微波功率分配器的制作无需特殊的材料和工艺，能够与Si工艺完全兼容。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于电压调控石墨烯薄膜结构的可重构微波功率分配器，其特征在于：该微波功率分配器包括微波功率输入端、第一输出端、第二输出端；

第一微带线，连接所述微波功率输入端和所述第一输出端；

第二微带线，连接所述微波功率输入端和所述第二输出端；

第一接入电阻，接入所述第一微带线的临近所述第一输出端的部分；

第二接入电阻，接入所述第二微带线的临近所述第二输出端的部分；

第三接入电阻，接入在所述第一微带线和所述第二微带线之间，且设置于所述第一接入电阻、所述第二接入电阻的输入端之前的位置；

其中，所述第一接入电阻包括依次堆叠的第一驱动电极、第一介质层、第一石墨烯薄膜，所述第二接入电阻包括依次堆叠的第二驱动电极、第二介质层、第二石墨烯薄膜，所述第三接入电阻包括依次堆叠的第三驱动电极、第三介质层、第三石墨烯薄膜；

通过调控电压调控所述第一石墨烯薄膜、第二石墨烯薄膜、第三石墨烯薄膜的阻值控制所述第一微带线、所述第二微带线之间的通断，实现微波功率的输出分配。

2.根据权利要求1所述的一种基于电压调控石墨烯薄膜结构的可重构微波功率分配器，其特征在于：所述第一微带线包括依次连接的第一功率分配器支臂、第一功率合成器支臂、第一传输线枝节；其中，所述第一接入电阻接入所述第一功率合成器支臂和所述第一传输线枝节之间。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于电压调控石墨烯薄膜结构的可重构微波功率分配器，其特征在于：所述第二微带线包括依次连接的第二功率分配器支臂、第二功率合成器支臂、第二传输线枝节；其中，所述第二接入电阻接入所述第二功率合成器支臂和所述第二传输线枝节之间。

4.根据权利要求1所述的所述的一种基于电压调控石墨烯薄膜结构的可重构微波功率分配器，其特征在于：所述第一微带线和所述第二微带线结构相同。

5.根据权利要求1所述的所述的一种基于电压调控石墨烯薄膜结构的可重构微波功率分配器，其特征在于：所述第一微带线和所述第二微带线位置对称布置。

6.根据权利要求1所述的一种基于电压调控石墨烯薄膜结构的可重构微波功率分配器，其特征在于：所述第一介质层、所述第二介质层、所述第三介质层的材质包括二氧化硅。

7.根据权利要求3所述的一种基于电压调控石墨烯薄膜结构的可重构微波功率分配器，其特征在于：所述第三接入电阻连接在第一功率合成器支臂和第二功率合成器支臂之间。

8.根据权利要求7所述的一种基于电压调控石墨烯薄膜结构的可重构微波功率分配器，其特征在于：所述第三接入电阻通过金属连接块与所述第一功率合成器支臂和所述第二功率合成器支臂相连。