CN110729542A - 基于石墨烯的人工表面等离激元一体化动态可调传输器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于石墨烯的人工表面等离激元一体化动态可调传输器件，属于微波器件技术领域，包括人工表面等离激元波导，在人工表面等离激元波导两侧对称设置与相连的微带线信号转换过渡部分，微带线信号转换过渡部分均分别与微带线信号传输部分相连；在人工表面等离激元波导上设置低噪功率放大模块，在低噪功率放大模块两侧对称设置石墨烯三明治结构。本发明利用电解液调控石墨烯的电导率特性和低噪功率放大芯片相结合，实现了人工表面等离激元的衰减、传输和放大的一体化动态调控，易于平面集成，通过调节石墨烯的外加电压在衰减、传输和放大这三种状态下进行控制，在小型化、高度集成化和可实时动态调控的器件和电路中具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于微波器件技术领域，具体涉及基于石墨烯的人工表面等离激元一体化动态可调传输器件。
背景技术
近年来随着通信电子技术地迅速发展，为了追求和实现通信电子产品的体积小和多场景应用的功能，微波器件逐渐朝着小型化、高度集成化和动态可调的方向发展，为了满足这一应用需求和工程技术需要，高度集成化的动态可调微波器件具有十分重要的意义。
表面等离激元是一种沿着金属和介质分界面传播的特殊电磁波，它有着显著的场局域特性和局域场增强特性，为了使得这些独特的优点可以在微波波段得以广泛运用，人工表面等离激元由此产生，其在天线、吸波器和传感器等方面都有着广泛的研究及应用。
对于人工表面等离激元传输线的研究是表面等离激元在微波频段得以运用的关键，但是由于人工表面等离激元明显的损耗特性，使其应用的广泛性受限，近年来有文献提出通过对人工表面等离激元的放大来实现对其损耗的补偿，从而可以实现人工表面等离激元无损耗的传输，甚至是对人工表面等离激元的传输功率进行放大传输。
在电子通信系统中，衰减器一直都是不可或缺的一部分，它可以缓冲电路中的阻抗变化，实现电路的阻抗匹配，同时也可以控制电路中信号传输的大小，这对于人工表面等离激元的应用也是极其重要的。近年来，石墨烯由于其突出的电子和光学性能受到了广泛关注，基于石墨烯的衰减器也在一些文献中得以报道，因为石墨烯的电导率可以通过电压来调节，所以基于石墨烯可以实现动态可调的衰减器，并且有利于实现微波器件的平面集成。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术存在的问题，本发明提供基于石墨烯的人工表面等离激元一体化动态可调传输器件，它具有结构设计简单、易于平面集成和小型化的优点，并且可以通过调节外部电压来改变石墨烯的电导率，从而实现人工表面等离激元的衰减、放大和传输的动态调控。
技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
基于石墨烯的人工表面等离激元一体化动态可调传输器件，包括人工表面等离激元波导，在所述的人工表面等离激元波导两侧对称设置与相连的微带线信号转换过渡部分，微带线信号转换过渡部分均分别与微带线信号传输部分相连；在所述的人工表面等离激元波导上设置低噪功率放大模块，在低噪功率放大模块两侧对称设置石墨烯三明治结构。
进一步地，所述的微带线信号传输部分、微带线信号转换过渡部分和人工表面等离激元波导均分别为三层结构，中间层均为介质基板，顶层和底层组成双层金属条带结构，顶层的金属条带作为信号传输的导带，底层的金属结构作为金属地。
进一步地，所述的微带线信号传输部分包括依次叠合的固定宽度的金属导带、介质基板和全覆盖金属地结构；所述的微带线信号转换过渡部分包括依次叠合的金属导带介质基板和宽度线性减小的过渡金属地结构；所述的人工表面等离激元波导的中间层为介质基板，顶层和底层分别为镜像对称的梳状金属铜条带。
进一步地，所述的梳状金属铜条带由宽度为1.2mm的锯齿结构和宽度为0.3mm、深度为1.0mm的沟槽周期排列构成；所述的介质基板的厚度为0.2mm，宽度为8mm；所述的金属导带和梳状金属铜条带的宽度均为1.4mm，厚度为0.025mm；所述的过渡金属地结构由铜材质构成，厚度为0.025mm；所述的介质基板采用的是相对介电常数为2.65的F4B材料，金属材料均为铜。
进一步地，所述的低噪功率放大模块包括低噪功率放大芯片、芯片焊盘和供电电压焊盘，低噪功率放大芯片通过导电胶粘附在了芯片焊盘上，其中芯片焊盘上有三个金属化通孔穿过介质基板连接至底层金属地上，将芯片上相应的管脚通过金丝键合到供电电压焊盘上，再给供电电压焊盘接偏置电压。
进一步地，所述的供电电压焊盘由铜材质构成，与芯片焊盘的间距为0.2mm，其上接供电电压的正极，并通过金丝键合线连接到低噪功率放大芯片的相应管脚上；所述的供电电压焊盘的长为2mm、宽为2.5mm，
进一步地，所述的石墨烯三明治结构包括一层浸透了离子液的隔膜纸，在隔膜纸上下表面对称设置聚氯乙烯层，在聚氯乙烯层和隔膜纸之间均设置单层石墨烯，单层石墨烯被转移到了聚氯乙烯层上。
进一步地，所述的聚氯乙烯层的厚度为0.075mm，所述的隔膜纸的厚度为0.05mm；所述的石墨烯三明治结构的长度为40mm，宽度为60mm。
有益效果：与现有技术相比，本发明的基于石墨烯的人工表面等离激元一体化动态可调传输器件，该一体化器件利用电压控制石墨烯的电导率，从而实现人工表面等离激元的衰减、传输和放大的动态可调功能，具有较低的回波损耗，不仅结构设计简单，而且易于平面集成，适用于微波器件和电路的小型化、高度集成化和动态可调需求，具备很好的工程应用前景。
附图说明
图1是一体化动态可调传输器件的截面图；
图2是一体化动态可调传输器件的俯视图；
图3是一体化动态可调传输器件的底视图；
图4是低噪功率放大模块和人工表面等离激元波导的局域视图；
图5是石墨烯三明治结构的示意图；
图6是实施例的一体化动态可调传输器件在13GHz时S21随石墨烯方阻的变化曲线；
图7是实施例的一体化动态可调传输器件S21参数；
图8是实施例的一体化动态可调传输器件S11参数；
附图标记为：1-微带线信号传输部分、2-微带线信号转换过渡部分、3-人工表面等离激元波导、4-石墨烯三明治结构、5-低噪功率放大模块、6-金属导带、7-介质基板、8-梳状金属铜条带、9-供电电压焊盘、10-全覆盖金属地结构、11-过渡金属地结构、12-低噪功率放大芯片、13-芯片焊盘、14-锯齿结构、15-沟槽、16-单层石墨烯、17-聚氯乙烯层、18-隔膜纸。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施实例对本发明作进一步说明。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1-3所示，基于石墨烯的人工表面等离激元一体化动态可调传输器件，包括人工表面等离激元波导3，在人工表面等离激元波导3两侧对称设置与相连的微带线信号转换过渡部分2，微带线信号转换过渡部分2均分别与微带线信号传输部分1相连。
基于石墨烯的人工表面等离激元一体化动态可调传输器件从左至右依次分别由微带线信号传输部分1、微带线信号转换过渡部分2、人工表面等离激元波导3、微带线信号转换过渡部分2和微带线信号传输部分1组成，输入端和输出端的微带线信号传输部分1用来传输便于信号的馈入和传输信号的提取，微带线信号转换过渡部分2用来实现微带线传输信号和表面等离激元极化波之间的相互转换，人工表面等离激元波导3用来进行表面等离激元极化波的传输。
基于石墨烯的人工表面等离激元一体化动态可调传输器件均由三层结构构成，介质基板7是中间夹层，为了便于低噪功率放大芯片12的集成，采用了顶层和底层为双层金属条带的结构，顶层的金属条带作为信号传输的导带，底层的金属结构作为金属地。
微带线信号传输部分1的结构，自上而下依次由固定宽度的金属导带6、介质基板7和全覆盖金属地结构10组成，微带线信号转换过渡部分2的结构自上而下依次由金属导带6、介质基板7和宽度线性减小的过渡金属地结构11组成，人工表面等离激元波导3的中间层为介质基板7，顶层和底层分别为镜像对称的梳状金属铜条带8。
如图4所示，梳状金属铜条带8由宽度为1.2mm的锯齿结构14和宽度为0.3mm、深度为1.0mm的沟槽15周期排列构成。
低噪功率放大模块5由低噪功率放大芯片12、芯片焊盘13和供电电压焊盘9组成，低噪功率放大芯片12用导电胶粘附在了芯片焊盘13上，其中芯片焊盘13上有三个金属化通孔穿过介质基板7连接至底层金属地上，为了给低噪功率放大芯片12供电，将芯片上相应的管脚通过金丝键合到供电电压焊盘9上，再给供电电压焊盘9接偏置电压。
过渡金属地结构11由铜材质构成，厚度为0.025mm。供电电压焊盘9由铜材质构成，与芯片焊盘13的间距为0.2mm，其上接供电电压的正极，并通过金丝键合线连接到低噪功率放大芯片12的相应管脚上。
介质基板7的厚度为0.2mm，宽度为8mm，金属导带6和梳状金属铜条带8的宽度均为1.4mm，厚度为0.025mm，供电电压焊盘9的长为2mm、宽为2.5mm，供电电压焊盘9和芯片焊盘13的间距为0.2mm，实施例中的介质基板7采用的是相对介电常数为2.65的F4B材料，金属材料均为铜。
如图2、5所示，在低噪功率放大模块5的左右两侧，石墨烯三明治结构4被分别放置在人工表面等离激元波导3上，用来吸收人工表面等离激元波导3上的电磁场，石墨烯三明治结构4由两层单层石墨烯16，两层聚氯乙烯层17和一层浸透了离子液的隔膜纸18组成。单层石墨烯16被转移到了聚氯乙烯层17上，聚氯乙烯层17的厚度为0.075mm，在上下两层单层石墨烯16中用隔膜纸18隔开，隔膜纸18的厚度为0.05mm。石墨烯三明治结构4的长度为40mm，宽度为60mm。
如图5所示，在两层单层石墨烯之间加偏置电压，可以通过调节偏置电压的大小，从而控制石墨烯三明治结构4方阻的变化，不同石墨烯三明治结构4的方阻可以对人工表面等离激元极化波的传输功率产生不同的耗散量，因此通过调节石墨烯三明治结构4的偏置电压，可以获得不同功率大小的输出信号。图6表示工作频率在13GHz时，实施例的该器件传输系数随石墨烯三明治结构4方阻的变化，当石墨烯三明治结构4的方阻从580ohm/sq调节到2500ohm/sq时，该一体化动态可调传输器件的传输系数可以从-8dB调节到+15dB左右，从而实现了对人工表面等离子激元极化波的衰减、传输和放大的三种状态。
图7所示的是实施例的该器件传输系数随频率的变化关系，结果表明随着石墨烯三明治结构4方阻的增加，传输系数也随之增大，在12GHz到14GHz的频率范围内，当石墨烯三明治结构4的方阻从580ohm/sq到2500ohm/sq时，该器件的传输系数可以实现从-10dB到+15dB的可调范围。
图8所示的是实施例的该器件回波损耗随频率的变化关系，结果表明随着石墨烯三明治结构4方阻的变化，回波损耗系数的变化趋势比较稳定，在12GHz到14GHz的频率范围内，该器件的回波损耗系数均低于-18dB，因此基于石墨烯的人工表面等离激元一体化动态可调传输器件具有较小的回波损耗。
Claims (8)
1.基于石墨烯的人工表面等离激元一体化动态可调传输器件，其特征在于：包括人工表面等离激元波导(3)，在所述的人工表面等离激元波导(3)两侧对称设置与相连的微带线信号转换过渡部分(2)，微带线信号转换过渡部分(2)均分别与微带线信号传输部分(1)相连；在所述的人工表面等离激元波导(3)上设置低噪功率放大模块(5)，在低噪功率放大模块(5)两侧对称设置石墨烯三明治结构(4)。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯的人工表面等离激元一体化动态可调传输器件，其特征在于：所述的微带线信号传输部分(1)、微带线信号转换过渡部分(2)和人工表面等离激元波导(3)均分别为三层结构，中间层均为介质基板(7)，顶层和底层组成双层金属条带结构，顶层的金属条带作为信号传输的导带，底层的金属结构作为金属地。
3.根据权利要求1所述的基于石墨烯的人工表面等离激元一体化动态可调传输器件，其特征在于：所述的微带线信号传输部分(1)包括依次叠合的固定宽度的金属导带(6)、介质基板(7)和全覆盖金属地结构(10)；所述的微带线信号转换过渡部分(2)包括依次叠合的金属导带(6)、介质基板(7)和宽度线性减小的过渡金属地结构(11)；所述的人工表面等离激元波导(3)的中间层为介质基板(7)，顶层和底层分别为镜像对称的梳状金属铜条带(8)。
4.根据权利要求3所述的基于石墨烯的人工表面等离激元一体化动态可调传输器件，其特征在于：所述的梳状金属铜条带(8)由宽度为1.2mm的锯齿结构(14)和宽度为0.3mm、深度为1.0mm的沟槽(15)周期排列构成；所述的介质基板(7)的厚度为0.2mm，宽度为8mm；所述的金属导带(6)和梳状金属铜条带(8)的宽度均为1.4mm，厚度为0.025mm；所述的过渡金属地结构(11)由铜材质构成，厚度为0.025mm；所述的介质基板(7)采用的是相对介电常数为2.65的F4B材料，金属材料均为铜。
5.根据权利要求1所述的基于石墨烯的人工表面等离激元一体化动态可调传输器件，其特征在于：所述的低噪功率放大模块(5)包括低噪功率放大芯片(12)、芯片焊盘(13)和供电电压焊盘(9)，低噪功率放大芯片(12)通过导电胶粘附在了芯片焊盘(13)上，其中芯片焊盘(13)上有三个金属化通孔穿过介质基板(7)连接至底层金属地上，将芯片上相应的管脚通过金丝键合到供电电压焊盘(9)上，再给供电电压焊盘(9)接偏置电压。
6.根据权利要求5所述的基于石墨烯的人工表面等离激元一体化动态可调传输器件，其特征在于：所述的供电电压焊盘(9)由铜材质构成，与芯片焊盘(13)的间距为0.2mm，其上接供电电压的正极，并通过金丝键合线连接到低噪功率放大芯片(12)的相应管脚上；所述的供电电压焊盘(9)的长为2mm、宽为2.5mm，
7.根据权利要求1所述的基于石墨烯的人工表面等离激元一体化动态可调传输器件，其特征在于：所述的石墨烯三明治结构(4)包括一层浸透了离子液的隔膜纸(18)，在隔膜纸(18)上下表面对称设置聚氯乙烯层(17)，在聚氯乙烯层(17)和隔膜纸(18)之间均设置单层石墨烯(16)，单层石墨烯(16)被转移到了聚氯乙烯层(17)上。
8.根据权利要求7所述的基于石墨烯的人工表面等离激元一体化动态可调传输器件，其特征在于：所述的聚氯乙烯层(17)的厚度为0.075mm，所述的隔膜纸(18)的厚度为0.05mm；所述的石墨烯三明治结构(4)的长度为40mm，宽度为60mm。
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