CN110311628B - 基于直流偏置下的石墨烯偶次谐波倍频器及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于直流偏置下的石墨烯偶次谐波倍频器及设计方法，包括腔体、信号输入端、信号输出端、石墨烯倍频器基板，石墨烯倍频器基板包括高频介质基片和设置在其上的石墨烯，石墨烯前端和后端分别通过微带线连接信号输入端和信号输出端，微带线上靠近信号输入端和信号输出端处，分别设有第一直流偏置电路和第二直流偏置电路，而加入偏置电路后能改变石墨烯倍频频谱。本发明通过加入直流偏置，能抑制奇次谐波分量，放大偶次谐波分量，从而提高倍频效果。克服了现有技术中石墨烯在电磁场激励下产生基波和奇次谐波分量对偶次谐波具有天然的抑制功能的缺陷，能实现偶次倍频，在太赫兹器件领域和射频芯片设计上都有广阔的应用空间。

Description

基于直流偏置下的石墨烯偶次谐波倍频器及设计方法

技术领域

本发明涉及一种石墨烯倍频器，尤其涉及一种基于直流偏置下的石墨烯偶次谐波倍频器及设计方法。

背景技术

微波频率源在通信、制导、测试仪器等系统中都具有广泛的应用。而倍频器是收发组件重要组成部分之一。在微波、毫米波频段，二端口无源倍频器广泛用于变频电路中，在线性度、噪声和带宽等方面，无源倍频器比有源倍频器的性能更好。近年来，石墨烯由于较高的电子牵引率、良好的导热性能，被认为可能成为下一代电子材料，并成为一个热点研究方向。

研究发现，石墨烯在电磁场激励下，会产生基波及其谐波分量，但是对偶次谐波具有天然的抑制功能，所以输出频率分量简单处理最终仅包含基波及奇次谐波，非常适合制作奇次倍频器和混频器。2018年中国学者Yong Fang就在论文Graphene frequencytripler design using reflector networks中介绍了基于反射网络的石墨烯三倍频器的设计制作及测试。

但因为石墨烯二端口倍频电路具有天然的偶次谐波抑制功能，所以该倍频器是针对奇次倍频器进行设计的，现在还没无法利用它来制作偶次谐波的倍频器，而且石墨烯奇次谐波倍频器的倍频效率较低，无法大规模投入使用。石墨烯倍频器的电路性能还不稳定，电路装配还需要进一步完善。后来我方经过大量实验发现，石墨烯在直流偏置下能克服基波及其谐波分量对偶次谐波具有天然的抑制功能的缺陷，加入直流偏置后，能抑制奇次谐波分量，放大偶次谐波分量，提高倍频效果，所以可以用来制作偶次谐波倍频器。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，克服现有技术中石墨烯在电磁场激励下，会产生基波及其谐波分量对偶次谐波具有天然的抑制功能的缺陷，可以实现偶次倍频的基于直流偏置下的石墨烯偶次谐波倍频器及设计方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种基于直流偏置下的石墨烯偶次谐波倍频器，包括腔体、信号输入端、信号输出端、腔体内的石墨烯倍频器基板，所述石墨烯倍频器基板包括高频介质基片和设置在其上的石墨烯，所述石墨烯前端和后端分别通过微带线连接信号输入端和信号输出端；

微带线上靠近信号输入端和信号输出端处，分别设有第一直流偏置电路和第二直流偏置电路，第一直流偏置电路和第二直流偏置电路结构相同，包括隔直电容和高频电感，所述隔直电容两端串联在微带线上，所述高频电感一端位于石墨烯和隔直电容间的微带线上，第一直流偏置电路的高频电感另一端接直流电源，第二直流偏置电路的高频电感接地；

所述信号输入端用于外接激励信号源，所述激励信号源用于产生频率fc的基波信号，经石墨烯后产生各次谐波分量，所述各次谐波分量包括频率为mfc的输出信号、和需回收的信号频率分量nfc，其中n＝1，2，3，4…且n≠m，m为偶数。

作为优选：石墨烯和第一直流偏置电路间设有输入反射网络，石墨烯和第二直流偏置电路间设有输出反射网络；

所述输入反射网络对fc为匹配通过，对需回收的信号频率分量为全反射；

所述输出反射网络对mfc为匹配通过，对fc和需回收的信号频率分量为全反射。

作为优选：所述输入反射网络和输出反射网络采用50欧姆微带线并联高低阻抗谐振回路的方式实现谐波分量反射回收。

作为优选：所述微带线为阻抗为50Ω的铜质微带线，且微带线上设有一断开处，断开处间隙为0.35mm，所述石墨烯覆盖在间隙上。

一种基于直流偏置下的石墨烯偶次谐波倍频器的设计方法，其特征在于：包括以下步骤；

(1)根据倍频的工作频段选定电容电感；

(2)根据输入信号的频率调整激励信号源，其中输入信号频率为fc，输出信号频率为mfc，需回收的信号频率分量nfc，其中n＝1，2，3，4…且n≠m，m为偶数；

(3)根据(1)(2)的参数设计基于直流偏置下的石墨烯偶次谐波倍频器，接入激励信号源和直流电源，激励信号源产生频率fc的基波信号，直流电源用于输入直流信号且初值置零，信号输出端连接一频谱仪；

(4)启动基于直流偏置下的石墨烯偶次谐波倍频器，获取第一直流偏置电路的最佳直流电压；

石墨烯的击穿电压为电压A，直流电源从0到电压A等间距增加，记录不同直流电压下的频谱图，找出输出信号最优的频谱图，将该频谱图对应的直流电压值作为第一直流偏置电路的最佳直流电压；

(5)将直流电源固定到最佳直流电压，拆卸掉频谱仪，直流偏置下的石墨烯偶次谐波倍频器设计完成，开始工作。

作为优选：步骤(5)直流偏置下的石墨烯偶次谐波倍频器设计完成，开始工作，具体为：

频率为fc的基波信号，与直流信号一起送入石墨烯中，激励石墨烯后，在石墨烯后端产生基波和各次谐波分量，其中，频率为mfc的输出信号经信号输出端输出，直流信号经第二直流偏置电路输出。

一种基于直流偏置下的石墨烯偶次谐波倍频器的设计方法，其特征在于：包括以下步骤；

(1)根据倍频的工作频段选定电容电感；

(2)根据输入信号的频率调整激励信号源，其中输入信号频率为fc，输出信号频率为mfc，需回收的信号频率分量nfc，其中n＝1，2，3，4…且n≠m，m为偶数；

(3)根据(1)(2)的参数设计基于直流偏置下的石墨烯偶次谐波倍频器，接入激励信号源和直流电源，激励信号源产生频率fc的基波信号，直流电源初值置零，信号输出端连接一频谱仪；

(4)启动基于直流偏置下的石墨烯偶次谐波倍频器，获取第一直流偏置电路的最佳直流电压；

石墨烯的击穿电压为电压A，直流电源从0到电压A等间距增加，记录不同直流电压下的频谱图，找出输出信号最优的频谱图，将该频谱图对应的直流电压值作为第一直流偏置电路的最佳直流电压；

(5)将直流电源固定到最佳直流电压，拆卸掉频谱仪，基于直流偏置下的石墨烯偶次谐波倍频器工作。

作为优选：步骤(5)直流偏置下的石墨烯偶次谐波倍频器设计完成，开始工作，具体为：

(51)频率fc的基波信号，与直流信号一起送入石墨烯中；

(52)基波信号激励石墨烯，在石墨烯后端产生基波和各次谐波分量，其中，频率为mfc的输出信号经信号输出端输出，基波和需回收的信号频率分量，被输出反射网络反射回石墨烯前端，直流信号经第二直流偏置电路输出；

(53)被反射回石墨烯前端的信号，其中基波第二次激励石墨烯，并在石墨烯前端产生基波和各次谐波分量，其中基波和新输入的基波信号，重复步骤(52)，各次谐波分量中，需回收的信号频率分量在输入反射网络与石墨烯前端间震荡、混频产生mfc的输出信号，所有mfc的输出信号经信号输出端输出，直流信号经第二直流偏置电路输出。

经过我方大量实验和验证，发现石墨烯在高频信号激励下具有与反向并联二极管相似的频谱。加载直流偏置后的石墨烯在高频信号激励下具有与二极管相似的频谱。加入直流偏置后，石墨烯的倍频频谱会发生改变，其中，奇次谐波分量能得到抑制，而偶次谐波分量能被放大。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明利用了石墨烯在直流偏置下的频谱变化，对奇次谐波的倍频器进行修改，通过在石墨烯两端增加了两个直流偏置电路，从而放大它的偶次谐波分量，抑制其奇次谐波分量，用来制作偶次谐波的倍频器。相比传统石墨烯倍频器，具有倍频效率较高的优点。

采用本发明的思路，能准确得出增加的直流偏置电路的直流电压，从而在在不击穿石墨烯的前提下，达到偶次谐波最好的倍频效果。

加载直流偏置后的石墨烯具有与二极管相似的特性，除此之外，石墨烯具有较高的电子迁移率和很好的导热性能，在太赫兹射频器件、大规模集成电路和芯片设计上都具有广阔的应用空间。

本发明还设计了输入反射网络和和输出反射网络，能有效对输出信号进行通过，同时将需回收的信号频率分量在输入反射网络与石墨烯前端间震荡、混频产生输出信号，在震荡和混频的过程中，需回收的信号频率分量会不断衰减，最后不影响电路的性能，所有产生的偶次谐波的的输出信号经信号输出端输出。

附图说明

图1为本发明原理图；

图2为本发明中未加入直流偏置的倍频频谱图；

图3为本发明中加入直流偏置的倍频频谱图。

图中：1、高频介质基片；2、信号输入端；3、信号输出端；4、隔直电容；5、高频电感；6、输入反射网络；7、输出反射网络；8、石墨烯。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：参见图1到图3，一种基于直流偏置下的石墨烯偶次谐波倍频器，包括腔体、信号输入端2、信号输出端3、腔体内的石墨烯倍频器基板，所述石墨烯倍频器基板包括高频介质基片1和设置在其上的石墨烯8，所述石墨烯8前端和后端分别通过微带线连接信号输入端2和信号输出端3，其特征在于：

微带线上靠近信号输入端2和信号输出端3处，分别设有第一直流偏置电路和第二直流偏置电路，第一直流偏置电路和第二直流偏置电路结构相同，包括隔直电容4和高频电感5，所述隔直电容4两端串联在微带线上，所述高频电感5一端位于石墨烯8和隔直电容4间的微带线上，第一直流偏置电路的高频电感5另一端接直流电源，第二直流偏置电路的高频电感5接地；

所述信号输入端2用于外接激励信号源，所述激励信号源用于产生频率fc的基波信号，经石墨烯8后产生各次谐波分量，所述各次谐波分量包括频率为mfc的输出信号、和需回收的信号频率分量nfc，其中n＝1，2，3，4…且n≠m，m为偶数。

所述微带线为阻抗为50Ω的铜质微带线，且微带线上设有一断开处，断开处间隙为0.35mm，所述石墨烯8覆盖在间隙上。

一种基于直流偏置下的石墨烯偶次谐波倍频器的设计方法，其特征在于：包括以下步骤；

(1)根据倍频的工作频段选定电容电感；

(2)根据输入信号的频率调整激励信号源，其中输入信号频率为fc，输出信号频率为mfc，需回收的信号频率分量nfc，其中n＝1，2，3，4…且n≠m，m为偶数；

(3)根据(1)(2)的参数设计基于直流偏置下的石墨烯偶次谐波倍频器，接入激励信号源和直流电源，激励信号源产生频率fc的基波信号，直流电源用于输入直流信号且初值置零，信号输出端3连接一频谱仪；

(4)启动基于直流偏置下的石墨烯偶次谐波倍频器，获取第一直流偏置电路的最佳直流电压；

石墨烯8的击穿电压为电压A，直流电源从0到电压A等间距增加，记录不同直流电压下的频谱图，找出输出信号最优的频谱图，将该频谱图对应的直流电压值作为第一直流偏置电路的最佳直流电压；

(5)将直流电源固定到最佳直流电压，拆卸掉频谱仪，直流偏置下的石墨烯偶次谐波倍频器设计完成，开始工作。

且本实施例中：步骤(5)直流偏置下的石墨烯偶次谐波倍频器设计完成，开始工作，具体为：

频率为fc的基波信号，与直流信号一起送入石墨烯8中，激励石墨烯8后，在石墨烯8后端产生基波和各次谐波分量，其中，频率为mfc的输出信号经信号输出端3输出，直流信号经第二直流偏置电路输出。

本发明在对奇次谐波倍频器进行改进，增加了第一直流偏置电路和第二直流偏置电路，改变了回收谐波的枝节：

直流偏置电路能抑制奇次谐波分量，放大偶次谐波分量；从图2图3可知，未加入直流偏置时，二次、四次、六次这些偶次谐波分量很低，这是基于石墨烯8二端口倍频电路具有天然的偶次谐波抑制功能；而基波、三次、五次谐波分量较高。但加入直流偏置，从图中可以看出，其输出的倍频频谱发生了改变，偶次谐波明显被放大，而谐波分量的功率随频率递减。结合图2、图3可知，增加直流偏置确实能改善“石墨烯8对偶次谐波分量的抑制效果”，从而使偶次谐波分量变得突出。

本发明还设计寻找最佳直流电压的方法，先根据倍频的工作频段选定电容电感、再输入激励信号，使直流电源初值置零，再借助频谱仪的观察和步进的调整电压值，最终得到合适的最佳直流电压。

另外直流偏置电路中的隔直电容4和高频电感5，根据具体工作的频端，选择超宽带、接近理想化、没有谐振点的高频电感5和电容组成。电感电容的数值是根据工作频段进行选择的，他们具有相同的特性，超宽带、接近理想化、没有谐振点。

本实施例1是不采用输入反射网络6和输出反射网络7的方案，该方案中基波和奇次谐波分量会损耗掉。

实施例2：参见图1到图3，一种基于直流偏置下的石墨烯偶次谐波倍频器，包括腔体、信号输入端2、信号输出端3、腔体内的石墨烯倍频器基板，所述石墨烯倍频器基板包括高频介质基片1和设置在其上的石墨烯8，所述石墨烯8前端和后端分别通过微带线连接信号输入端2和信号输出端3，微带线上靠近信号输入端2和信号输出端3处，分别设有第一直流偏置电路和第二直流偏置电路，第一直流偏置电路和第二直流偏置电路结构相同，包括隔直电容4和高频电感5，所述隔直电容4两端串联在微带线上，所述高频电感5一端位于石墨烯8和隔直电容4间的微带线上，第一直流偏置电路的高频电感5另一端接直流电源，第二直流偏置电路的高频电感5接地；

所述信号输入端2用于外接激励信号源，所述激励信号源用于产生频率fc的基波信号，经石墨烯8后产生各次谐波分量，所述各次谐波分量包括频率为mfc的输出信号、和需回收的信号频率分量nfc，其中n＝1，2，3，4…且n≠m，m为偶数；

本实施例中，石墨烯8和第一直流偏置电路间设有输入反射网络6，石墨烯8和第二直流偏置电路间设有输出反射网络7；

所述输入反射网络6对fc为匹配通过，对需回收的信号频率分量为全反射；

所述输出反射网络7对mfc为匹配通过，对fc和需回收的信号频率分量为全反射。

所述输入反射网络6和输出反射网络7采用50欧姆微带线并联高低阻抗谐振回路的方式实现谐波分量反射回收。

所述微带线为阻抗为50Ω的铜质微带线，且微带线上设有一断开处，断开处间隙为0.35mm，所述石墨烯8覆盖在间隙上。

一种基于直流偏置下的石墨烯偶次谐波倍频器的设计方法，其特征在于：包括以下步骤；

(1)根据倍频的工作频段选定电容电感；

(2)根据输入信号的频率调整激励信号源，其中输入信号频率为fc，输出信号频率为mfc，需回收的信号频率分量nfc，其中n＝1，2，3，4…且n≠m，m为偶数；

(3)根据(1)(2)的参数设计基于直流偏置下的石墨烯偶次谐波倍频器，接入激励信号源和直流电源，激励信号源产生频率fc的基波信号，直流电源初值置零，信号输出端3连接一频谱仪；

(4)启动基于直流偏置下的石墨烯偶次谐波倍频器，获取第一直流偏置电路的最佳直流电压；

石墨烯8的击穿电压为电压A，直流电源从0到电压A等间距增加，记录不同直流电压下的频谱图，找出输出信号最优的频谱图，将该频谱图对应的直流电压值作为第一直流偏置电路的最佳直流电压；

(5)将直流电源固定到最佳直流电压，拆卸掉频谱仪，基于直流偏置下的石墨烯偶次谐波倍频器工作。

本实施例2中，步骤(5)直流偏置下的石墨烯偶次谐波倍频器设计完成，开始工作，具体为：

(51)频率fc的基波信号，与直流信号一起送入石墨烯8中；

(52)基波信号激励石墨烯8，在石墨烯8后端产生基波和各次谐波分量，其中，频率为mfc的输出信号经信号输出端3输出，基波和需回收的信号频率分量，被输出反射网络7反射回石墨烯8前端，直流信号经第二直流偏置电路输出；

(53)被反射回石墨烯8前端的信号，其中基波第二次激励石墨烯8，并在石墨烯8前端产生基波和各次谐波分量，其中基波和新输入的基波信号，重复步骤(52)，各次谐波分量中，需回收的信号频率分量在输入反射网络6与石墨烯8前端间震荡、混频产生mfc的输出信号，所有mfc的输出信号经信号输出端3输出，直流信号经第二直流偏置电路输出。

本发明在实施例1的基础上，增加了输入反射网络6和输出反射网络7的设计。其中所述输入反射网络6对fc为匹配通过，对需回收的信号频率分量为全反射；所述输出反射网络7对mfc为匹配通过，对fc和需回收的信号频率分量为全反射。其余部分与实施例1相同。

一般采用并联1/4波长的开路微带短截线来设计反射网络，由于输入反射网络6对fc目的是通过fc，输出反射网络7是通过输出信号，所以除了输出信号，基波和和需回收的信号频率分量，会被阻挡在输入反射网络6和石墨烯8前端，来回震荡、混频、衰减，而混频又会产生我们需要的输出信号。所以本实施例中，加入输入反射网络6和输出反射网络7，能有效提高电路的工作效率，降低损耗。

实施例3：根据实施例2的方案，我们设计一个二次倍频器，也就是说，基波信号频率为fc，输出信号的频率为2fc，需回收的信号频率分量nfc，其中n＝1，2，3，4…且n≠2。其余与实施例2相同。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于直流偏置下的石墨烯偶次谐波倍频器，包括腔体，腔体两端设有信号输入端和信号输出端，腔体内的石墨烯倍频器基板，所述石墨烯倍频器基板包括高频介质基片和设置在其上的石墨烯，所述石墨烯前端和后端分别通过微带线连接信号输入端和信号输出端，其特征在于：

微带线上靠近信号输入端和信号输出端处，分别设有第一直流偏置电路和第二直流偏置电路，第一直流偏置电路和第二直流偏置电路结构相同，包括隔直电容和高频电感，所述隔直电容两端串联在微带线上，所述高频电感一端位于石墨烯和隔直电容间的微带线上，第一直流偏置电路的高频电感另一端接直流电源，第二直流偏置电路的高频电感接地；

所述信号输入端用于外接激励信号源，所述激励信号源用于产生频率fc的基波信号，经石墨烯后产生各次谐波分量，所述各次谐波分量包括频率为mfc的输出信号、和需回收的信号频率分量nfc，其中n=1，2，3，4…且n≠m，m为偶数。

2.根据权利要求1所述的基于直流偏置下的石墨烯偶次谐波倍频器，其特征在于：石墨烯和第一直流偏置电路间设有输入反射网络，石墨烯和第二直流偏置电路间设有输出反射网络；

所述输入反射网络对fc为匹配通过，对需回收的信号频率分量为全反射；

所述输出反射网络对mfc为匹配通过，对fc和需回收的信号频率分量为全反射。

3.根据权利要求2所述的基于直流偏置下的石墨烯偶次谐波倍频器，其特征在于：所述输入反射网络和输出反射网络采用50欧姆微带线并联高低阻抗谐振回路的方式实现谐波分量反射回收。

4.根据权利要求1所述的基于直流偏置下的石墨烯偶次谐波倍频器，其特征在于：所述微带线为阻抗为50Ω的铜质微带线，且微带线上设有一断开处，断开处间隙为0.35mm，所述石墨烯覆盖在间隙上。

5.根据权利要求1所述的基于直流偏置下的石墨烯偶次谐波倍频器的设计方法，其特征在于：包括以下步骤；

（1）根据倍频的工作频段选定电容电感；

（2）根据输入信号的频率调整激励信号源，其中输入信号频率为fc，输出信号频率为mfc，需回收的信号频率分量nfc，其中n=1，2，3，4…且n≠m，m为偶数；

（3）根据（1）（2）的参数设计基于直流偏置下的石墨烯偶次谐波倍频器，接入激励信号源和直流电源，激励信号源产生频率fc的基波信号，直流电源用于输入直流信号且初值置零，信号输出端连接一频谱仪；

（4）启动基于直流偏置下的石墨烯偶次谐波倍频器，获取第一直流偏置电路的最佳直流电压；

石墨烯的击穿电压为电压A，直流电源从0到电压A等间距增加，记录不同直流电压下的频谱图，找出输出信号最优的频谱图，将该频谱图对应的直流电压值作为第一直流偏置电路的最佳直流电压；

（5）将直流电源固定到最佳直流电压，拆卸掉频谱仪，直流偏置下的石墨烯偶次谐波倍频器设计完成，开始工作。

6.根据权利要求5所述的基于直流偏置下的石墨烯偶次谐波倍频器的设计方法，其特征在于：步骤（5）直流偏置下的石墨烯偶次谐波倍频器设计完成，开始工作，具体为：

频率为fc的基波信号，与直流信号一起送入石墨烯中，激励石墨烯后，在石墨烯后端产生基波和各次谐波分量，其中，频率为mfc的输出信号经信号输出端输出，直流信号经第二直流偏置电路输出。

7.根据权利要求2所述的基于直流偏置下的石墨烯偶次谐波倍频器的设计方法，其特征在于：包括以下步骤；

（1）根据倍频的工作频段选定电容电感；

（2）根据输入信号的频率调整激励信号源，其中输入信号频率为fc，输出信号频率为mfc，需回收的信号频率分量nfc，其中n=1，2，3，4…且n≠m，m为偶数；

（3）根据（1）（2）的参数设计基于直流偏置下的石墨烯偶次谐波倍频器，接入激励信号源和直流电源，激励信号源产生频率fc的基波信号，直流电源初值置零，信号输出端连接一频谱仪；

（4）启动基于直流偏置下的石墨烯偶次谐波倍频器，获取第一直流偏置电路的最佳直流电压；

石墨烯的击穿电压为电压A，直流电源从0到电压A等间距增加，记录不同直流电压下的频谱图，找出输出信号最优的频谱图，将该频谱图对应的直流电压值作为第一直流偏置电路的最佳直流电压；

（5）将直流电源固定到最佳直流电压，拆卸掉频谱仪，基于直流偏置下的石墨烯偶次谐波倍频器工作。

8.根据权利要求7所述的基于直流偏置下的石墨烯偶次谐波倍频器的设计方法，其特征在于：步骤（5）直流偏置下的石墨烯偶次谐波倍频器设计完成，开始工作，具体为：

（51）频率fc的基波信号，与直流信号一起送入石墨烯中；

（52）基波信号激励石墨烯，在石墨烯后端产生基波和各次谐波分量，其中，频率为mfc的输出信号经信号输出端输出，基波和需回收的信号频率分量，被输出反射网络反射回石墨烯前端，直流信号经第二直流偏置电路输出；

（53）被反射回石墨烯前端的信号，其中基波第二次激励石墨烯，并在石墨烯前端产生基波和各次谐波分量，其中基波和新输入的基波信号，重复步骤（52），各次谐波分量中，需回收的信号频率分量在输入反射网络与石墨烯前端间震荡、混频产生mfc的输出信号，所有mfc的输出信号经信号输出端输出，直流信号经第二直流偏置电路输出。

Images