CN110867635A - 基于等效表面等离激元的动态可调石墨烯衰减器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于等效表面等离激元的动态可调石墨烯衰减器，属于微波器件技术领域，包括多层基片集成波导，在波导两侧对称设置的微带线信号转换过渡部分和微带线信号传输部分，微带线信号转换过渡部分与集成波导传输部分相连；在多层基片中两种不同介电常数的介质基片的交界面周期性的排列金属丝，在金属丝的正上方平行于交界面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，实现了有效等离子体激元衰减的动态调控，易于平面集成，通过调节石墨烯的外加电压可对衰减量进行控制，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，同时为等效等离激元器件打开了新的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于微波器件技术领域，涉及基于等效表面等离激元的动态可调石墨烯衰减器。
背景技术
为了追求和优化通信电子产品的体积小、多场景应用和抗干扰强的功能，近年来人们在微波器件的小型化、高集成化和动态可调等方面进行了深入的探讨和发展，为了满足这一应用需求和工程技术需要，高度集成的、抗干扰的动态可调微波器件具有重要的意义。
表面等离子体激元是一种沿着相对介电常数相反的两种介质基板的分界面传播的特殊电磁波，它有着显著的场局域特性和场增强特性，而有效表面等离子体激元是在波导内通过设置适当的尺寸的介质基板产生不同的有效介电常数从而产生的，具有表面等离子体激元的特性。
在电子通信系统中，衰减器一直都是必不可少的一部分，它起到了控制信号大小和缓冲电路中的阻抗变化，实现阻抗匹配的作用。同时近年来，石墨烯由于其特殊的电子和光学性能受到了广泛的关注，基于石墨烯的微波器件也在一些文献中得以报道，其中基于石墨烯的衰减器占了其中一大部分，因为石墨烯有电导率可以通过电压来调节地特性，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，本发明提供基于等效表面等离激元的动态可调石墨烯衰减器，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，从而实现等效表面等离激元的衰减的动态调控。
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：
基于等效表面等离激元的动态可调石墨烯衰减器，包括等效表面等离激元波导，所述的等效表面等离激元波导的两侧与对称设置的微带线信号转换过渡部分的一端分别相连，所述的微带线信号转换过渡部分的另一端均与对称设置的微带线信号传输部分分别相连；其中，在所述的等效表面等离激元波导的介质层中由上而下依次设置配合使用的等周期排列且宽度为波导宽度的金属丝和介质基板挖空部分；其中在所述的金属丝上覆盖石墨烯三明治结构。
进一步的，所述的微带线信号传输部分、微带线信号转换过渡部分和等效表面等离激元波导均分别包括依次叠合设置的顶层金属导带层、介质层和底层全覆盖金属层。
进一步的，所述的顶层金属导带层包括设置在微带线信号传输部分上的矩形金属导带、设置在微带线信号转换过渡部分上的梯形金属导带上和设置在等效表面等离激元集成波导上的全覆盖金属地。
进一步的，所述的介质层包括依次叠合设置的第一介质基板、第二介质基板和中间挖空的介质基板，其中，设置在所述的中间挖空的介质基板的介质基板挖空部分位于等效表面等离激元波导内。
进一步的，所述的金属化过孔等周期排列在介质层的两侧且排列覆的范围涵盖等效表面等离激元波导；所述的石墨烯三明治结构设置在第一介质基板和第二介质基板之间；所述的金属丝等周期排列且宽度为波导宽度，所述的金属丝设置在第二介质基板和中间挖空的介质基板之间，所述的金属丝排列覆盖的范围为介质基板挖空部分。
进一步的，所述的石墨烯三明治结构包括相互连接的矩形石墨烯和用于外接馈电的L型石墨烯；所述的矩形石墨烯设置在等效表面等离激元波导内且位于介质基板挖空部分的正上方；所述的L型石墨烯设置在微带线信号转换过渡部分内。
进一步的，所述的第一介质基板、第二介质基板和中间挖空的介质基板的厚度和介质基板挖空部分宽度由介质的有效介电常数和麦克斯韦电磁方程计算得到。
进一步的，利用商用软件CST对所设计的模型进行建模和优化，得到基片集成波导部分的两边等周期的金属化过孔的周期、直径和高度；宽度线性减小的金属导带的宽度线性变换范围和长度；石墨烯三明治的长度和宽度、方阻值。
进一步的，所述的第一介质基板、第二介质基板和中间挖空的介质基板采用的是相对介电常数为3.48的Rogers RO4350B材料，顶层金属导带层和底层全覆盖金属层的材料均为铜。
进一步的，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。
有益效果：与现有技术相比，本发明的基于等效表面等离激元的动态可调石墨烯衰减器，该衰减器件利用电压控制石墨烯的电导率，从而实现等效表面等离激元衰减动态可调功能，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是基于等效表面等离激元的动态可调石墨烯衰减器的截面图；
图2是基于等效表面等离激元的动态可调石墨烯衰减器的俯视图；
图3是基于等效表面等离激元的动态可调石墨烯衰减器的石墨烯放置图；
图4是基于等效表面等离激元的动态可调石墨烯衰减器的挖空介质基板和金属丝放置图；
图5是石墨烯三明治结构的示意图；
图6是实施例的衰减动态可调传输器件5.5GHz时S21随石墨烯方阻的变化曲线；
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-等效表面等离激元集成波导、4-石墨烯三明治结构、5-金属化过孔、6-金属丝、7-介质基板挖空部分、8-矩形金属导带、9-梯形金属导带、10-全覆盖金属地、11-第二介质基板、12-L型石墨烯、13-矩形石墨烯、14-单层石墨烯、15-隔膜纸、16-聚氯乙烯层、17-顶层金属导带层、18-第一介质基板、19-中间挖空的介质基板、20-底层全覆盖金属层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构及性能做进一步说明。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所示，基于等效表面等离激元的动态可调石墨烯衰减器，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、等效表面等离激元波导3、微带线信号转换过渡部分2和微带线信号传输部分1，微带线信号传输部分1位于动态可调石墨烯衰减器的两端且分别作为输入端和输出端，输入端和输出端的微带线信号传输部分1用来信号的馈入和提取，微带线信号转换过渡部分2用来实现微带线传输信号和基片集成波导信号之间的相互转换，等效表面等离激元波导3用来进行等效表面等离激元波的传输。
基于等效表面等离激元的动态可调石墨烯衰减器，包括等效表面等离激元波导3，在等效表面等离激元波导3的中间插入石墨烯三明治结构4，等效表面等离激元波导3的两侧与对称设置的微带线信号转换过渡部分2的一端分别相连，微带线信号转换过渡部分2的另一端均与对称设置的微带线信号传输部分1分别相连。在等效表面等离激元波导3的介质层中由上而下依次设置配合使用的等周期排列且宽度为波导宽度的金属丝6和介质基板挖空部分7；其中，在金属丝6上覆盖石墨烯三明治结构4。
其中，微带线信号传输部分1、微带线信号转换过渡部分2和等效表面等离激元波导3均分别包括依次叠合设置的顶层金属导带层17、介质层和底层全覆盖金属层20。其中，顶层金属导带层17和底层全覆盖金属层20组成双层金属条带结构。顶层金属导带层17包括设置在微带线信号传输部分1上的矩形金属导带8、设置在微带线信号转换过渡部分2上的梯形金属导带9上和设置在等效表面等离激元集成波导上的全覆盖金属地10。
介质层包括依次叠合设置的第一介质基板18、第二介质基板11和中间挖空的介质基板19，其中，设置在中间挖空的介质基板19的介质基板挖空部分7位于等效表面等离激元波导3内。在第一介质基板18和第二介质基板11之间的等效表面等离激元波导3内设置了石墨烯三明治结构4，在第二介质基板11和中间挖空的介质基板19中间设置了等周期排列的宽度为波导宽度的金属丝6，排列长度覆盖介质基板挖空部分7。
微带线信号传输部分1包括依次叠合的固定宽度的矩形金属导带8、第一介质基板18、第二介质基板11和底层全覆盖金属层20；微带线信号转换过渡部分2包括依次叠合的金属宽度线性减小的导带9、第一介质基板18、第二介质基板11和底层全覆盖金属层20；等效表面等离激元基片集成波导3包括依次叠合全覆盖金属地10，第一介质基板18，石墨烯三明治结构4，第二介质基板11，金属丝6，中间挖空的介质基板19和底层全覆盖金属层20。其中，矩形金属导带8、梯形金属导带9和全覆盖金属地10组成顶层金属导带层17。
金属化过孔5等周期排列在介质层的两侧且排列覆的范围涵盖等效表面等离激元波导3；石墨烯三明治结构4设置在第一介质基板18和第二介质基板11之间；金属丝6等周期排列且宽度为波导宽度，金属丝6设置在第二介质基板11和中间挖空的介质基板19之间，金属丝6排列覆盖的范围为介质基板挖空部分7。
石墨烯三明治结构4包括相互连接的矩形石墨烯13和用于外接馈电的L型石墨烯12；矩形石墨烯13设置在等效表面等离激元波导3内且位于介质基板挖空部分7的正上方；L型石墨烯12设置在微带线信号转换过渡部分2内。
基于等效表面等离激元的动态可调石墨烯衰减器的制备方法，包括如下步骤：
1)第一介质基板18、第二介质基板11的厚度和中间挖空的介质基板19的厚度及其挖空部分的宽度均可由介质的有效介电常数和麦克斯韦电磁方程计算得到。结果表明，当第一介质基板18、第二介质基板11和中间挖空的介质基板19和的厚度分别为1.067mm，0.203mm和0.203mm，介质基板挖空部分7宽度为18mm，长度为30mm，所发明的器件具有良好的传输功能；
2)如图1、图3所示，石墨烯三明治结构4包括矩形石墨烯13和L型石墨烯12，其中矩形石墨烯13应设置在介质基板挖空部分7的正上方起到消减有效表面等离子体激元的作用，L型石墨烯12起到外接电压的作用；
3)利用商用软件CST对所设计的模型进行建模和优化，得到基片集成波导部分的两边等周期的金属化过孔5的周期，直径和高度；宽度线性减小的金属导带9的宽度线性变换范围和长度；石墨烯三明治4的长度和宽度、方阻值。结果表明，基片集成波导部分的两边等周期的金属化过孔5的周期为0.2mm，直径为0.1mm，高度为五层金属和介质基板厚度之和1.613mm；宽度线性减小的金属导带9的宽度线性变换范围为3.2mm至2.2mm，长度为20.1mm；矩形石墨烯13，宽度应不小于介质基板挖空部分7宽度为18mm，不大于等效表面等离激元基片集成波导3宽度为22mm，长度应不小于介质基板挖空部分7长度为30mm，不大于等效表面等离激元基片集成波导3长度为40mm，二为L型石墨烯12，宽度为3mm，长度应不小于为10mm。
4)对以上步骤所设计的模型进行加工制备，并测试其性能。为方便放置石墨烯三明治结构4和金属丝6，采用分层叠放方法，第一介质基板18、第二介质基板11和中间挖空的介质基板19采用的是相对介电常数为3.48的Rogers RO4350B材料，金属材料均为铜。
步骤1)中介质基板和空气的有效介电常数与麦克斯韦电磁场方程在第二介质基板11和中间挖空的介质基板19交界面计算得到色散曲线方程，公式参见(Z.Li,L.Liu,H.Sun,Y.Sun,C.Gu,X.Chen,Y.Luo,“Effective surface plasmonpolaritons induced bymodal dispersion in a waveguide,”Physical Review Applied,vol.7,no.4,pp.044028,2017.)，通过色散曲线可计算所设计频段的衰减器的第一介质基板18、第二介质基板11的厚度和中间挖空的介质基板19的厚度及其挖空部分的宽度。
步骤2)和3)中，采用时域仿真的方法进行陈列的仿真，石墨烯用零厚度的电阻膜来模拟，石墨烯的方阻在100Ω/sq～2500Ω/sq的区域进行间隔为100Ω/sq的扫描仿真。
步骤4)中，如图5所示，石墨烯三明治结构包括一层浸透了离子液的隔膜纸15，隔膜纸15的厚度为0.05mm，在隔膜纸15上下表面对称设置聚氯乙烯层16，聚氯乙烯层16的厚度为0.075mm，在聚氯乙烯层16和隔膜纸15之间均设置单层石墨烯14，单层石墨烯14被转移到了聚氯乙烯层16上。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，不同的方阻可以对有效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Vb，可以获得不同功率大小的输出信号。
图1是基于等效表面等离激元的动态可调石墨烯衰减器的截面图。第一介质基板18、第二介质基板11、中间挖空的介质基板19、顶层金属导带层17、底层金属层20、石墨烯三明治结构4和金属丝6依次紧密叠合。
图2-5是为了方便明确结构的细节，分别表示了等效表面等离激元的动态可调石墨烯衰减器的俯视图、石墨烯放置图和挖空介质基板和金属丝放置图。其中图4表示，第三和第四层介质基板中间设置的等周期的金属丝6的周期为0.4mm，直径为0.1mm，长度为22mm，介质基板挖空部分7的宽度与长度为18mm和30mm。
图6表示工作频率在5.5GHz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300ohm/sq调节到3000ohm/sq时，该动态可调衰减器件的衰减系数可以从-7dB调节到-15dB左右，从而实现了对等效表面等离激元波的动态衰减。
Claims (10)
1.基于等效表面等离激元的动态可调石墨烯衰减器，其特征在于：包括等效表面等离激元波导(3)，所述的等效表面等离激元波导(3)的两侧与对称设置的微带线信号转换过渡部分(2)的一端分别相连，所述的微带线信号转换过渡部分(2)的另一端均与对称设置的微带线信号传输部分(1)分别相连；其中，在所述的等效表面等离激元波导(3)的介质层中由上而下依次设置配合使用的等周期排列且宽度为波导宽度的金属丝(6)和介质基板挖空部分(7)；其中，在所述的金属丝(6)上覆盖石墨烯三明治结构(4)。
2.根据权利要求1所述的基于等效表面等离激元的动态可调石墨烯衰减器，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)和等效表面等离激元波导(3)均分别包括依次叠合设置的顶层金属导带层(17)、介质层和底层全覆盖金属层(20)。
3.根据权利要求2所述的基于等效表面等离激元的动态可调石墨烯衰减器，其特征在于：所述的顶层金属导带层(17)包括设置在微带线信号传输部分(1)上的矩形金属导带(8)、设置在微带线信号转换过渡部分(2)上的梯形金属导带(9)上和设置在等效表面等离激元集成波导上的全覆盖金属地(10)。
4.根据权利要求2所述的基于等效表面等离激元的动态可调石墨烯衰减器，其特征在于：所述的介质层包括依次叠合设置的第一介质基板(18)、第二介质基板(11)和中间挖空的介质基板(19)，其中，设置在所述的中间挖空的介质基板(19)的介质基板挖空部分(7)位于等效表面等离激元波导(3)内。
5.根据权利要求4所述的基于等效表面等离激元的动态可调石墨烯衰减器，其特征在于：所述的金属化过孔(5)等周期排列在介质层的两侧且排列覆的范围涵盖等效表面等离激元波导(3)；所述的石墨烯三明治结构(4)设置在第一介质基板(18)和第二介质基板(11)之间；所述的金属丝(6)等周期排列且宽度为波导宽度，所述的金属丝(6)设置在第二介质基板(11)和中间挖空的介质基板(19)之间，所述的金属丝(6)排列覆盖的范围为介质基板挖空部分(7)。
6.根据权利要求4所述的基于等效表面等离激元的动态可调石墨烯衰减器，其特征在于：所述的石墨烯三明治结构(4)包括相互连接的矩形石墨烯(13)和用于外接馈电的L型石墨烯(12)；所述的矩形石墨烯(13)设置在等效表面等离激元波导(3)内且位于介质基板挖空部分(7)的正上方；所述的L型石墨烯(12)设置在微带线信号转换过渡部分(2)内。
7.根据权利要求4所述的基于等效表面等离激元的动态可调石墨烯衰减器，其特征在于：所述的第一介质基板(18)、第二介质基板(11)和中间挖空的介质基板(19)的厚度和介质基板挖空部分(7)宽度由介质的有效介电常数和麦克斯韦电磁方程计算得到。
8.根据权利要求4所述的基于等效表面等离激元的动态可调石墨烯衰减器，其特征在于：利用商用软件CST对所设计的模型进行建模得到金属化过孔(5)的周期、直径和高度；金属导带(9)的宽度线性变换范围和长度；石墨烯三明治(4)的长度和宽度、方阻值。
9.根据权利要求4所述的基于等效表面等离激元的动态可调石墨烯衰减器，其特征在于：所述的第一介质基板(18)、第二介质基板(11)和中间挖空的介质基板(19)采用的是相对介电常数为3.48的Rogers RO4350B材料，顶层金属导带层(17)和底层全覆盖金属层(20)的材料均为铜。
10.根据权利要求4所述的基于等效表面等离激元的动态可调石墨烯衰减器，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(15)，在隔膜纸(15)上下表面对称设置聚氯乙烯层(16)，在聚氯乙烯层(16)和隔膜纸(15)之间均设置单层石墨烯(14)，单层石墨烯(14)被转移到了聚氯乙烯层(16)上。
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