CN110333379B - 基于直流偏置下的石墨烯检波器及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于直流偏置下的石墨烯检波器，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，石墨烯前端接直流偏置电路，后端接RC低通滤波器，直流偏置电路加载的直流偏置电压可以使提升石墨烯检波效果，利用RC低通滤波器电容电阻的充放电过程检测出基带低频信号。本发明通过加入直流偏置，提高了检波效果。该设计证明了石墨烯检波器的可行性，具有灵敏度高，检波失真较小，成本低，电路简单，工作频率较高的特点。

Description

基于直流偏置下的石墨烯检波器及设计方法

技术领域

本发明涉及一种检波器，尤其涉及一种基于直流偏置下的石墨烯检波器及设计方法。

背景技术

微波检波器在通信、功率检测、测试仪器等系统中都发挥着重要的作用。是保证毫米波系统正常工作的必不可少的器件。从功能上看，检波器可以将原调制信号从调制信号中不失真的解调出来，实现了频谱的搬移，将输入高频信号变换为输出端的低频信号。近年来，石墨烯由于较高的电子迁移率、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。利用石墨烯制作的检波电路效率低下，可靠性低，无法投入使用，本发明设计通过加载直流偏置电压克服了石墨烯检波效率低下的问题，验证了石墨烯材料检波的可行性。

2007年德国学者S.A.Mikhailov在论文Non-linear electromagnetic responseof graphene中推导出了石墨烯在激励下会产生基波和奇次谐波分量，石墨烯二端口电路具有天然的偶次谐波抑制的功能，可以发现此特性与反向并联二极管类似，能够应用于混频及倍频电路。

2012年清华大学发明了具有石墨烯晶体管的包络检波器，该检波器利用石墨烯晶体管进行检波，主要是利用石墨烯与衬底间的极性电路实现包络检波。该发明设计电路结构相对复杂，制作成本较高。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，改善石墨烯检波效率低下的问题，成本低廉、电路结构简单、且检波效果好的基于直流偏置下的石墨烯检波器及设计方法。

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检波器，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，所述信号输入端用于外接调制信号，所述调制信号包括低频信号f_L和高频信号f_H；

还包括一RC低通滤波器，所述RC低通滤波器包括滤波器主体、信号传输端和地端，所述滤波器主体的滤波电阻为R，滤波电容为C，且1/f_LC<<R,1/f_HC>>R，所述信号传输端位于石墨烯后端和信号输出端间的微带线上，地端接地。

作为优选：信号输入端和石墨烯前端的微带线上设有一直流偏置电路，所述直流偏置电路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，另一端用于接直流电源。

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。

作为优选：所述介质基片材料为环氧树脂，厚度为0.6mm，微带线厚度为35um，所述石墨烯为多层石墨烯贴片，其原子层厚度为4-8层。

一种基于直流偏置下的石墨烯检波器的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)根据射频信号的低频信号f_L和高频信号f_H确定RC低通滤波器的滤波电容C滤波电阻R的值，其中1/f_LC<<R,1/f_HC>>R；

(2)根据步骤(1)的参数制作基于直流偏置下的石墨烯检波器；

(3)接入调制信号和直流电源，调制信号包括调制后的低频信号f_L和高频信号f_H，直流电源初值置零，信号输出端连接一示波器；

(4)启动基于直流偏置下的石墨烯检波器，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示波器的波形图，找出输出幅值最大的波形图为最优波形图，将该最优波形图对应的直流电压值作为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，拆卸掉示波器，基于直流偏置下的石墨烯检波器设计完成，开始工作。

本发明中，直流偏置电路由超宽带、接近理想化、没有谐振点的高频电感和隔直电容组成。隔直电容作用是隔绝直流信号，防止直流电压泄露到射频输入电路；高频电感作用是隔离高频信号，防止射频信号泄露到直流电路。

RC低通滤波器由高Q值电感滤波电容、滤波电阻组成，形成低损耗低通传输结构。其作用是抑制高频信号传输低频信号，得到需要的基带低频信号。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

第一：将石墨烯倍频器的电路增加一个RC低通滤波电路，就可以实现检波功能，其原理为：

当输入信号电压瞬时值大于输出信号电压，石墨烯正向导通，RC低通滤波器中的电容C通过石墨烯正向充电，输出电压增大；当输入信号电压瞬时值小于输出电压，石墨烯截止，RC低通滤波器中的滤波电容C通过滤波电阻R放电，因此输出电压下降；到下一个正向导通瞬间，石墨烯又重新导电，这一过程照此重复不已，就可以检测出与输入信号包络成对应关系的输出信号。

其输出信号通过连接一个示波器来观察波形，可以在示波器上非常直观的观察到一个与输入包络信号成对应关系的正弦波。相比于传统二极管检波器，该设计具有检波失真小，动态范围较大，电路成本低，结构简单，制作方便，工作频率较高的特点。

第二、增加了直流偏置电路，增加直流偏置电路可以调整示波器中检测出的正弦波的幅度，从而我们能找到最大幅值对应的直流偏置电压，使检波效率更高效果更好，减小了增益损失；加载直流偏压还可以抵消一部分死区电压，检测出的波形失真较少，可以准确的还原包络信号。同时，增加了直流偏置电路后石墨烯的工作更加稳定，示波器检测出的波形波动较小，干扰较少，可以排除一部分噪声信号。

第三、相比现有技术中利用石墨烯与衬底间的极性电路实现包络检波，从而导致设计电路结构复杂，制作成本较高的检波器而言，本发明电路结构非常简单，成本低廉、电路结构简单、且动态范围较大、失真小、检波效果好。

附图说明

图1为本发明电路原理图；

图2石墨烯检波电路工作原理图；

图3为C低通滤波器的工作原理图；

图4为本发明的输出信号图。

图中：1、介质基片；2、信号输入端；3、信号输出端；4、石墨烯；5、隔直电容；6、高频电感。

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4，一种基于直流偏置下的石墨烯检波器，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4，所述石墨烯4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，所述信号输入端2用于外接调制信号，所述调制信号包括低频信号f_L和高频信号f_H；

还包括一RC低通滤波器，所述RC低通滤波器包括滤波器主体、信号传输端和地端，所述滤波器主体的滤波电阻为R，滤波电容为C，且1/f_LC<<R,1/f_HC>>R，所述信号传输端位于石墨烯4后端和信号输出端3间的微带线上，地端接地。

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4覆盖在间隙上。

仅采用本实施例的结构，就可以作为检波器使用，进行检波。其检波原理可参见图2和图3，其中，图2为石墨烯检波电路工作原理图，图中石墨烯4后端连接的电容、电阻，就是RC低通滤波器中的滤波电容和滤波电阻。它们的结合存在一个充放电的过程，当输入信号电压瞬时值大于输出信号电压，石墨烯4正向导通，RC低通滤波器中的滤波电容通过石墨烯4正向充电，输出电压增大，此时示波器上获取到的是滤波电容两端的电压，当输入信号电压瞬时值小于输出电压，石墨烯4截止，RC低通滤波器中的滤波电容C通过R放电，因此输出电压下降，此时示波器上获取到的是电容两端的电压；到下一个正向导通瞬间，石墨烯4又重新导电，这一过程照此重复不已。这样以检测出与输入信号包络成对应关系的输出信号。

而根据本发明选择合适的R、C值来匹配低频信号f_L和高频信号f_H可以得到最精确的与输入信号包络成对应关系的输出信号图。

实施例2：一种基于直流偏置下的石墨烯检波器，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4，所述石墨烯4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，所述信号输入端2用于外接调制信号，所述调制信号包括低频信号f_L和高频信号f_H；

还包括一RC低通滤波器，所述RC低通滤波器包括滤波器主体、信号传输端和地端，所述滤波器主体的滤波电阻为R，滤波电容为C，且1/f_LC<<R,1/f_HC>>R所述信号传输端位于石墨烯4后端和信号输出端3间的微带线上，地端接地。

本实施例中，信号输入端2和石墨烯4前端的微带线上设有一直流偏置电路，所述直流偏置电路包括隔直电容5和高频电感6，所述隔直电容5两端串联在微带线上，所述高频电感6一端位于石墨烯4和隔直电容5间的微带线上，另一端用于接直流电源。

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4覆盖在间隙上。

所述介质基片1材料为环氧树脂，厚度为0.6mm，微带线厚度为35um，所述石墨烯4为多层石墨烯4贴片，其原子层厚度为4-8层。

本实施例在检波器的结构上，增加设计了一直流偏置电路。根据我们大量实验可知，直流偏置电路加载的直流偏置电压可以使提升石墨烯4检波效果，所以基于这种机构，我们设计了一种基于直流偏置下的石墨烯检波器的设计方法，该方法包括以下步骤：

(1)根据射频信号的低频信号f_L确定RC低通滤波器的滤波电容C*滤波电阻R的值，其中1/f_LC<<R,1/f_HC>>R；

(2)根据步骤(1)的参数制作基于直流偏置下的石墨烯检波器；

(3)接入调制信号和直流电源，调制信号包括调制后的低频信号f_L和高频信号f_H，直流电源初值置零，信号输出端3连接一示波器；

(4)启动基于直流偏置下的石墨烯检波器，获取第一直流偏置电路的最佳直流电压；

石墨烯4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示波器的波形图，找出输出幅值最大的波形图为最优波形图，将该最优波形图对应的直流电压值作为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，拆卸掉示波器，基于直流偏置下的石墨烯检波器设计完成，开始工作。

由于本实施例在检波器的结构上，增加设计了一直流偏置电路，所以使石墨烯检波器输出的波形变得可调。这样，我们就可以通过改变电压值，来寻找找出输出幅值最大的波形图，将其作为最优波形图，同时将该最优波形图对应的直流电压值作为偏置电路的最佳直流电压；至此，本实施例2与实施例1相比，多增加了最佳直流电压这个参数，使检波器的效果更好。

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 (4)

1.一种基于直流偏置下的石墨烯检波器，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，其特征在于：所述信号输入端用于外接调制信号，所述调制信号包括低频信号f_L和高频信号f_H；

还包括一RC低通滤波器，所述RC低通滤波器包括滤波器主体、信号传输端和地端，所述滤波器主体的滤波电阻为R，滤波电容为C，且1/f_LC<<R,1/f_HC>>R，所述信号传输端位于石墨烯后端和信号输出端间的微带线上，地端接地；

信号输入端和石墨烯前端的微带线上设有一直流偏置电路，所述直流偏置电路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，另一端用于接直流电源。

2.根据权利要求1所述的基于直流偏置下的石墨烯检波器，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。

3.根据权利要求1所述的基于直流偏置下的石墨烯检波器，其特征在于：所述介质基片材料为环氧树脂，厚度为0.6mm，微带线厚度为35um，所述石墨烯为多层石墨烯贴片，其原子层厚度为4-8层。

4.根据权利要求1所述的基于直流偏置下的石墨烯检波器的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)根据射频信号的低频信号f_L和高频信号f_H确定RC低通滤波器的滤波电容C滤波电阻R的值，其中1/f_LC<<R,1/f_HC>>R；

(2)根据步骤(1)的参数制作基于直流偏置下的石墨烯检波器；

(3)接入调制信号和直流电源，调制信号包括调制后的低频信号f_L和高频信号f_H，直流电源初值置零，信号输出端连接一示波器；

(4)启动基于直流偏置下的石墨烯检波器，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示波器的波形图，找出输出幅值最大的波形图为最优波形图，将该最优波形图对应的直流电压值作为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，拆卸掉示波器，基于直流偏置下的石墨烯检波器设计完成，开始工作。

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