CN110601660B - 基于直流偏置下的石墨烯下变频混频器及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于直流偏置下的石墨烯下变频混频器及设计方法，采用分支线耦合器、混频单元、低通滤波器的结构，分支线耦合器用于将射频信号和本振信号耦合在一起形成耦合信号，经直通端和耦合端输出，混频单元包括依次设置的第一直流偏置器、多层石墨烯和第二直流偏置器；两个直流偏置器用来隔离交流信号和直流信号，第一直流偏置器还连接直流电源激励多层石墨烯。直流信号激励多层石墨烯后能提升其混频性能，从而使耦合信号激励多层石墨烯后，更好的产生中频信号和高频信号，并利用低通滤波器滤除高频信号，从而得到中频信号，采用本发明设计的下变频混频器，驻波比低、输入功率线性度宽、变频损耗降低，有利于提高系统的灵敏度。

Description

基于直流偏置下的石墨烯下变频混频器及设计方法
技术领域
本发明涉及一种下变频混频器，尤其涉及一种基于直流偏置下的石墨烯下变频混频器及设计方法。
背景技术
下变频混频器是微波接收机射频前端的重要组件，其前端接收从低噪声放大器放大的射频信号，通过和本振信号混频，得到下变频中频信号输出到后端部件。混频器作为接收机射频前端的第二级电路，对提高系统的接收灵敏度有很重要的作用。近年来，石墨烯作为一种二维材料，因其独特的力学、热学和电学特性吸引了众多研究人员，非常适合微波和毫米波电路的应用，如混频器。
石墨烯的二维电子和空穴由有效质量消失的有效狄拉克方程描述。因此，石墨烯的电磁响应为强非线性。与传统的非线性双端口器件(如肖特基二极管)相比，石墨烯-非线性器件的输出谐波电流随谐波阶数的降低非常缓慢。石墨烯电路具有天然的均匀谐波抑制特性，非常适合制作非线性器件，如谐波混频器、倍频器等。
但是石墨烯混频器变频损耗高和1dB压缩点较低。变频损耗高会使系统的接收灵敏度下降。1dB压缩点会影响混频器输出功率的线性范围，虽然可以通过增加本振功率来提高输出功率，但是达到一定值后，输出功率并不随本振功率线性变化。石墨烯混频器并不能很好的满足实际指标需求。经过大量实验测试，在石墨烯两端增加直流偏置，混频器的性能会有显著提高。石墨烯可以类似比作两个反向的二极管，输出只有奇次谐波分量。加直流偏置电压的石墨烯，相当于导通其中一个二极管，单二极管输出谐波分量既有偶次谐波又有奇次谐波，会提高混频器的输出功率，降低变频损耗。添加直流偏置的石墨烯混频器线性度也得到了提升。分支线耦合器的输出端和隔离端的反射损耗低，充分利用射频功率和本振功率耦合到直通端和耦合端，降低混频器的驻波比。
发明内容
本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，能降低石墨烯混频器的变频损耗，增加线性度的基于直流偏置下的石墨烯下变频混频器及设计方法。
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下变频混频器，包括分支线耦合器，所述分支线耦合器包括输入端、隔离端、直通端和耦合端，其中，所述输入端连接射频信号、隔离端连接本振信号，分支线耦合器用于将射频信号和本振信号耦合在一起形成耦合信号，经直通端和耦合端输出；
直通端和耦合端各连接一混频单元，所述混频单元包括多层石墨烯、位于多层石墨烯前端的第一直流偏置器、位于多层石墨烯后端的第二直流偏置器；
所述第一直流偏置器和第二直流偏置器者结构相同，包括射频端、直流偏置端和射频直流端；
两第一直流偏置器的射频端分别经微带线连接直通端和耦合端、两直流偏置端连接直流电源、两射频直流端分别经微带线连接对应的多层石墨烯的前端，所述直流电源用于产生激励多层石墨烯的直流信号；
两第二直流偏置器的射频直流端分别经微带线连接对应的多层石墨烯的后端，直流偏置端接地、两射频端经微带线连接低通滤波器的输入端；
直通端、耦合端输出的耦合信号分别进入对应的混频单元，与直流信号一起送入多层石墨烯中激励石墨烯，
其中：直流信号经多层石墨烯后被第二直流偏置器回收；
耦合信号经在多层石墨烯后端产生中频信号和高频信号送入低通滤波器中，所述低通滤波器滤除高频信号后，输出中频信号。
作为优选：所述分支线耦合器 90°分支线耦合器。
作为优选：所述微带线为阻抗为50Ω的铜质微带线，从上到下依次为铜质导体带层、介质基片层、接地敷铜层，所述铜质导体带层上设有间隙，间隙距离为0.3mm，且多层石墨烯覆盖在间隙上。
一种基于直流偏置下的石墨烯下变频混频器的设计方法，包括以下步骤：
（1）预设输入的射频信号频率为fr，本振信号频率为fl，输出中频信号频率为fi=fr-fl，并根据射频信号的频率设计分支线耦合器；
（2）根据（1）的参数，搭建基于直流偏置下的石墨烯下变频混频器；
（3）输入端连接射频信号、隔离端连接本振信号，直流电源的初值置零，低通滤波器的输出端连接频谱仪，启动基于直流偏置下的石墨烯下变频混频器；
（4）获取直流电源的最佳直流电压；
多层石墨烯的击穿电压为电压A，直流电源的电压初值为0，从0到电压A等间距增加，记录不同直流电压下低通滤波器输出端的频谱图，找出功率最大的频谱图，将该频谱图对应的直流电压值最佳直流电压；
（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下变频混频器设计完成，开始工作。
作为优选：步骤（5）中，基于直流偏置下的石墨烯下变频混频器设计完成，开始工作具体为：
（51）频率为fr的射频信号、频率为fl的本振信号分别经输入端和隔离端送入分支线耦合器，经分支线耦合器形成两路相位不同的耦合信号，分别经直通端和耦合端输出；
（52）直流信号和耦合信号激励多层石墨烯产生信号；
直流电源产生直流信号，经第一直流偏置器后，送入多层石墨烯中，并在多层石墨烯后端被第二直流偏置器回收；
耦合信号分别进入对应的混频单元，经第一直流偏置器送入多层石墨烯中，并在多层石墨烯后端产生中频信号fi=fr-fl和高频信号；
（53）中频信号和高频信号一起送入低通滤波器中，所述低通滤波器滤除高频信号后，仅输出中频信号。
本发明的原理为：石墨烯材料低电阻率，高电子迁移率的特性适合用作电子器件，又由于其强非线性特性，可以用在微波变频领域。分支线耦合器用来耦合射频和本振信号，降低混频器的驻波比。石墨烯可以类似比作两个反向的二极管，输出只有奇次谐波分量。加直流偏置电压的石墨烯，相当于导通其中一个二极管，单二极管输出谐波分量既有偶次谐波又有奇次谐波，会提高混频器的输出功率，降低变频损耗。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明采用分支线耦合器减少输入端口和隔离端口的反射损耗，降低混频器的驻波比。在石墨烯的两端增加直流偏置电压，相当于把反向并联的二极管变为单个二极管，增加了石墨烯的谐波分量，提高混频器的输出功率，降低变频损耗。而且添加直流偏置的石墨烯混频器线性度也得到提升。
附图说明
图1为本发明电路原理框图；
图2为本发明微带间隙结构示意图；
图3为本发明实施例2的电路图；
图4为分支线耦合器结构示意图；
图5为本发明未加直流偏置和加直流偏置混频器的输出频谱折线图。
图中：1、分支线耦合器；2、第一直流偏置器；3、多层石墨烯；4、第二直流偏置器；5、低通滤波器；6、介质基片层；7、输入端；8、直通端；9、耦合端；10、隔离端；11、第一段微带线；12、第二段微带线；13、第三段微带线；14、第四段微带线；15、第五段微带线；16、第六段微带线；17、第七段微带线；18、第八段微带线；19、铜质导体带层；20、接地敷铜层。
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和图2，一种基于直流偏置下的石墨烯下变频混频器，包括分支线耦合器1，所述分支线耦合器1包括输入端7、隔离端10、直通端8和耦合端9，其中，所述输入端7连接射频信号、隔离端10连接本振信号，分支线耦合器1用于将射频信号和本振信号耦合在一起形成耦合信号，经直通端8和耦合端9输出；
直通端8和耦合端9各连接一混频单元，所述混频单元包括多层石墨烯3、位于多层石墨烯3前端的第一直流偏置器2、位于多层石墨烯3后端的第二直流偏置器4；
所述第一直流偏置器2和第二直流偏置器4者结构相同，包括射频端、直流偏置端和射频直流端；
两第一直流偏置器2的射频端分别经微带线连接直通端8和耦合端9、两直流偏置端连接直流电源、两射频直流端分别经微带线连接对应的多层石墨烯3的前端，所述直流电源用于产生激励多层石墨烯3的直流信号；
两第二直流偏置器4的射频直流端分别经微带线连接对应的多层石墨烯3的后端，直流偏置端接地、两射频端经微带线连接低通滤波器5的输入端7；
直通端8、耦合端9输出的耦合信号分别进入对应的混频单元，与直流信号一起送入多层石墨烯3中激励石墨烯，
其中：直流信号经多层石墨烯3后被第二直流偏置器4回收；
耦合信号经在多层石墨烯3后端产生中频信号和高频信号送入低通滤波器5中，所述低通滤波器5滤除高频信号后，输出中频信号。
所述微带线为阻抗为50Ω的铜质微带线，从上到下依次为铜质导体带层19、介质基片层6、接地敷铜层20，所述铜质导体带层19上设有间隙，间隙距离为0.3mm，且多层石墨烯3覆盖在间隙上。
为了更好的说明本发明微带间隙的结构，我们设计图2所示结构，该结构中，所述微带线为阻抗为50Ω的铜质微带线，用于连接各电路单元。具体结构为从上到下依次为铜质导体带层19、介质基片层6、接地敷铜层20，其中在多层石墨烯3处，铜质导体带层19设有间隙，间隙距离为0.3mm，且多层石墨烯3覆盖在间隙上，其余层不设间隙。
一种基于直流偏置下的石墨烯下变频混频器的设计方法，包括以下步骤：
（1）预设输入的射频信号频率为fr，本振信号频率为fl，输出中频信号频率为fi=fr-fl，并根据射频信号的频率设计分支线耦合器1；
（2）根据（1）的参数，搭建基于直流偏置下的石墨烯下变频混频器；
（3）输入端7连接射频信号、隔离端10连接本振信号，直流电源的初值置零，低通滤波器5的输出端连接频谱仪，启动基于直流偏置下的石墨烯下变频混频器；
（4）获取直流电源的最佳直流电压；
多层石墨烯3的击穿电压为电压A，直流电源的电压初值为0，从0到电压A等间距增加，记录不同直流电压下低通滤波器5输出端的频谱图，找出功率最大的频谱图，将该频谱图对应的直流电压值最佳直流电压；
（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下变频混频器设计完成，开始工作。
本实施的步骤（5）中，基于直流偏置下的石墨烯下变频混频器设计完成，开始工作具体为：
（51）频率为fr的射频信号、频率为fl的本振信号分别经输入端7和隔离端10送入分支线耦合器1，经分支线耦合器1形成两路相位不同的耦合信号，分别经直通端8和耦合端9输出；
（52）直流信号和耦合信号激励多层石墨烯产生信号；
直流电源产生直流信号，经第一直流偏置器后，送入多层石墨烯中，并在多层石墨烯后端被第二直流偏置器回收；
耦合信号分别进入对应的混频单元，经第一直流偏置器送入多层石墨烯中，并在多层石墨烯后端产生中频信号fi=fr-fl和高频信号；
（53）中频信号和高频信号一起送入低通滤波器5中，所述低通滤波器5滤除高频信号后，仅输出中频信号。
在步骤（52）中，直流信号和耦合信号都会激励多层石墨烯3，耦合信号为交流信号，经第一直流偏置器2的射频段进入，从射频直流端输出，直流信号是直流的，经经第一直流偏置器2的直流偏置端进入，从射频直流端输出。由于直流电压能增加石墨烯混频器的线性度，还能增加了石墨烯的谐波分量，所以提高了混频器的输出功率，降低变频损耗。
实施例2：参见图1到图5，基于实施例1，我们设计一种详细的电路结构。本发明在实施例1的结构基础上，限定如下：所述分支线耦合器1为90°分支线耦合器1。其余与实施例1相同。
关于分支线耦合器1：本实施例采用90°分支线耦合器1，结构如图4所示：由八段微带线组成，分别是第一段微带线11、第二段微带线12、第三段微带线13、第四段微带线14、第五段微带线15、第六段微带线16、第七段微带线17、第八段微带线18。共包含四个端口，分别为输入端7、直通端8、耦合端9、隔离端10。
其中：第一段微带线11、第三段微带线13特征阻抗为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，其中，Z0为50Ω；第二段微带线12、第四段微带线14、第五段到第八段微带线18特征阻抗均为
Figure 17346DEST_PATH_IMAGE002
，第一段到第八段微带线18长度均为λ/4，λ为射频频率fr的波长。
本实施例中，射频信号从输入端7输入，本振信号从隔离端10输入，两种信号在分支线耦合器1作用下耦合在一起形成耦合信号，并经直通端8和耦合端9输出。直通端8和耦合端9输出的耦合信号大小相同、相位不同。
关于直流偏置器：第一直流偏置器2、第二直流偏置器4结构相同，均采用BiasTee偏置器。每个BiasTee偏置器均由隔交电感和隔直电容构成，且包括三个端口：射频端、射频直流端和直流偏置端。其中，隔直电容的两端，一端为射频端，另一端为射频直流端，用来通过交流信号，隔交电感一端连接在隔直电容和射频直流端之间，另一端为直流偏置端，用来通过直流信号。
直流偏置器本身能使交流信号只通过电容，直流信号只通过电感，具有防止交流信号和直流信号互通的作用。这样，本发明中，直流信号、交流信号不会相互干扰，各自工作。同时，第一直流偏置器2外接直流电源，直流电源的目的是产生直流电压，用来激励多层石墨烯3，提升其谐波分量，以增加混频效果。而第二直流偏置器4的直流偏置端接地，用于回收直流电压。
本实施例中，直通端8和耦合端9分别输出大小相同、相位不同的耦合信号，我们以直通端8输出信号进行描述。直通端8的耦合信号，经第一直流偏置器2的隔直电容后，作用在多层石墨烯3上发生混频，产生中频信号和高频信号，中频信号和高频信号通过第二直流偏置器4的隔直电容输入到低通滤波器5中。
耦合端9输出的信号处理方式，与直通端8输出的信号处理方式相同，最终产生中频信号和高频信号，都送入低通滤波器5中。
关于低通滤波器5：低通滤波器5滤除高频信号，仅保留中频信号，一般，我们将低通滤波器5的频带设计为比中频信号高200M即可。
本实施例为了更好的描述，我们采用五阶低通滤波器5，具体结构参见图2。
经过该实施例，我们得出结果如图5所示，图5为本发明未加直流偏置和加直流偏置混频器的输出频谱折线图。从图中可以看出，加直流偏置后石墨烯混频器的输出功率有整体升高。
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下变频混频器，包括分支线耦合器，所述分支线耦合器包括输入端、隔离端、直通端和耦合端，所述输入端连接射频信号、隔离端连接本振信号，分支线耦合器用于将射频信号和本振信号耦合在一起形成耦合信号，经直通端和耦合端输出，其特征在于：
直通端和耦合端各连接一混频单元，所述混频单元包括多层石墨烯、位于多层石墨烯前端的第一直流偏置器、位于多层石墨烯后端的第二直流偏置器；
所述第一直流偏置器和第二直流偏置器者结构相同，包括射频端、直流偏置端和射频直流端；
两第一直流偏置器的射频端分别经微带线连接直通端和耦合端、两直流偏置端连接直流电源、两射频直流端分别经微带线连接对应的多层石墨烯的前端，所述直流电源用于产生激励多层石墨烯的直流信号；
两第二直流偏置器的射频直流端分别经微带线连接对应的多层石墨烯的后端，直流偏置端接地、两射频端经微带线连接低通滤波器的输入端；
直通端、耦合端输出的耦合信号分别进入对应的混频单元，与直流信号一起送入多层石墨烯中激励石墨烯；
其中：直流信号经多层石墨烯后被第二直流偏置器回收；
耦合信号经在多层石墨烯后端产生中频信号和高频信号送入低通滤波器中，所述低通滤波器滤除高频信号后，输出中频信号。
2.根据权利要求1所述的基于直流偏置下的石墨烯下变频混频器，其特征在于：所述分支线耦合器为90°分支线耦合器。
3.根据权利要求1所述的基于直流偏置下的石墨烯下变频混频器，其特征在于：所述微带线为阻抗为50Ω的铜质微带线，从上到下依次为铜质导体带层、介质基片层、接地敷铜层，所述铜质导体带层上设有间隙，间隙距离为0.3mm，且多层石墨烯覆盖在间隙上。
4.根据权利要求1所述的基于直流偏置下的石墨烯下变频混频器的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)预设输入的射频信号频率为fr，本振信号频率为fl，输出中频信号频率为fi=fr-fl，并根据射频信号的频率设计分支线耦合器；
(2)根据(1)的参数，搭建基于直流偏置下的石墨烯下变频混频器；
(3)输入端连接射频信号、隔离端连接本振信号，直流电源的初值置零，低通滤波器的输出端连接频谱仪，启动基于直流偏置下的石墨烯下变频混频器；
(4)获取直流电源的最佳直流电压；
多层石墨烯的击穿电压为电压A，直流电源的电压初值为0，从0到电压A等间距增加，记录不同直流电压下低通滤波器输出端的频谱图，找出功率最大的频谱图，将该频谱图对应的直流电压值最佳直流电压；
(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下变频混频器设计完成，开始工作,具体为：
(51)频率为fr的射频信号、频率为fl的本振信号分别经输入端和隔离端送入分支线耦合器，经分支线耦合器形成两路相位不同的耦合信号，分别经直通端和耦合端输出；
(52)直流信号和耦合信号激励多层石墨烯产生信号；
直流电源产生直流信号，经第一直流偏置器后，送入多层石墨烯中，并在多层石墨烯后端被第二直流偏置器回收；
耦合信号分别进入对应的混频单元，经第一直流偏置器送入多层石墨烯中，并在多层石墨烯后端产生中频信号fi=fr-fl和高频信号；
(53)中频信号和高频信号一起送入低通滤波器中，所述低通滤波器滤除高频信号后，仅输出中频信号。
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