CN217691587U - 基于石墨烯薄片的衰减可调的微带双工器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于带通双工器领域，公开了一种基于石墨烯薄片的衰减可调的微带双工器，包括介质基板，介质基板一侧上设置金属接地板，另一侧上设置微带电路；微带电路包括依次间隔设置的第一输出微带线、第一微带谐振器、输入微带线、第二微带谐振器和第二输出微带线；第一微带谐振器和第二微带谐振器均包括相互连接的直谐振微带线、接地微带线和两条弯折谐振微带线；直谐振微带线和两条弯折谐振微带线同侧设置，直谐振微带线位于两条弯折谐振微带线之间，直谐振微带线与两条弯折谐振微带线之间均设置石墨烯薄片，接地微带线上设置若干连接金属接地板的金属连接孔。该衰减可调的微带双工器方便调谐，有效缩小双工器的体积，结构设计简单，生产成本低。

Description

基于石墨烯薄片的衰减可调的微带双工器

技术领域

本实用新型属于带通双工器领域，涉及一种基于石墨烯薄片的衰减可调的微带双工器。

背景技术

带通双工器作为一种电子器件，广泛用于无线通信系统的发射器和接收器，而随着智能频分双工系统的不断发展，多功能通信使得频带拥挤以及电磁干扰等问题变得日益突出，因此，要求带通双工器需要动态地、独立地调谐双频衰减，同时，还要具有良好的选择性和低反射。

目前，实现可调谐双工器的主要方法有谐振器加载变容二极管、PIN二极管及MEMS器件调节等方法。但是，这样形成的电路结构不可避免地会产生额外的插入损耗，占用不必要的电路尺寸，这极大地限制了系统的小型化。

例如，中国专利申请CN112736382A，公开了一种可切换式的可重构双工器/带通滤波器，其基于SIW可重构双模谐振器，采用多层结构实现了可重构双工器、不同端口输出的双频带可重构带通滤波器以及不同端口输出的单频带可重构带通滤波器等多种工作模式的切换，并通过在基片集成波导谐振腔中加载可调电容来实现连续调节各个谐振腔的工作频率和带宽，在输入输出馈线上加载可调电容来实现外部品质因数的调节，并且采用在匹配网络设置PIN二极管作为可切换器件，实现独立地控制各种工作模式。但其结构设计复杂，并且其在保持良好选择性和低反射的同时，较难实现动态和独立地调整双频带的衰减。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术中，可调谐双工器结构复杂，不利于系统的小型化，以及较难实现动态和独立地调整双频带的衰减的缺点，提供一种基于石墨烯薄片的衰减可调的微带双工器。

为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案予以实现：

一种基于石墨烯薄片的衰减可调的微带双工器，包括介质基板，介质基板一侧上设置金属接地板，另一侧上设置微带电路；

微带电路包括依次间隔设置的第一输出微带线、第一微带谐振器、输入微带线、第二微带谐振器和第二输出微带线；

第一微带谐振器和第二微带谐振器均包括相互连接的直谐振微带线、接地微带线和两条弯折谐振微带线；

直谐振微带线和两条弯折谐振微带线同侧设置，且直谐振微带线位于两条弯折谐振微带线之间，且直谐振微带线与两条弯折谐振微带线之间均设置石墨烯薄片，石墨烯薄片与直谐振微带线和弯折谐振微带线均紧贴；接地微带线上设置若干连接金属接地板的金属连接孔。

可选的，所述第一微带谐振器和第二微带谐振器均为四分之一波长微带谐振器。

可选的，所述输入微带线、第一输出微带线和第二输出微带线均采用特性阻抗为50欧姆的微带线。

可选的，所述介质基板的材质为Rogers RT/duroid 5880材料。

可选的，所述金属接地板的材质为铝、铁、锡、铜、银、金、铂、铝合金、铁合金、锡合金、铜合金、银合金、金合金和铂合金中的任意一种。

可选的，所述输入微带线与第一微带谐振器之间的间隔为1.1mm，输入微带线与第二微带谐振器之间的间隔为0.18mm，第一输出微带线与第一微带谐振器之间的间隔为0.21mm，第二输出微带线与第一微带谐振器之间的间隔为0.22mm。

可选的，所述输入微带线为矩形微带线，第一输出微带线和第二微带谐振器为弯折型微带线。

可选的，所述金属接地板的厚度为0.018mm，所述接地微带线上设置三个连接金属接地板的金属连接孔。

可选的，所述第一微带谐振器的两条弯折谐振微带线的长度均为32.7mm，宽度均为1.1mm，直谐振微带线的长度为36.7mm，宽度为1.1mm；弯折谐振微带线与直谐振微带线的间距为5.15mm；

所述第二微带谐振器的两条弯折谐振微带线的长度均为16.8mm，宽度均为1.1mm；直谐振微带线的长度为36.7mm，宽度为1.1mm；弯折谐振微带线与直谐振微带线的间距为5.15mm。

可选的，还包括偏置电压源，偏置电压源与石墨烯薄片连接，用于给石墨烯薄片提供偏置电压。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型基于石墨烯薄片的衰减可调的微带双工器，通过在介质基板上依次间隔设置第一输出微带线、第一微带谐振器、输入微带线、第二微带谐振器和第二输出微带线，并在微带谐振器的直谐振微带线与两条弯折谐振微带线之间均设置石墨烯薄片，采用石墨烯薄片作为损耗材料，基于石墨烯薄片的石墨烯方阻随外加偏置电压的变化产生线性变化的特性，从而达到微带双工器的衰减可调，提出了一种与现有方式不同的带通双工器实现方法，与此同时具有低反射与良好的选择性能。并且，本实用新型基于石墨烯薄片的衰减可调的微带双工器，每一个通道有各自的传输路径，互相之间没有影响，两信道反射衰减可以单独调节。同时，采用微带线结构，介质基板上层附有石墨烯薄片，方便调谐，有效缩小了带通双工器的体积，实现了小型化设计，结构设计简单，生产成本低。

附图说明

图1为本实用新型实施例衰减可调微带双工器的结构示意图；

图2为本实用新型实施例图1中A处放大图；

图3为本实用新型实施例衰减可调微带双工器的俯视图；

图4为本实用新型实施例石墨烯薄片在不同偏置电压下的阻抗变换图；

图5为本实用新型实施例在低频通道处添加石墨烯薄片的衰减可调微带双工器的反射系数仿真和测量曲线图；

图6为本实用新型实施例的在低频通道处添加石墨烯薄片的衰减可调微带双工器的传输系数仿真和测量曲线图；

图7为本实用新型实施例的在高频通道处添加石墨烯薄片的衰减可调微带双工器的反射系数仿真和测量曲线图；

图8为本实用新型实施例的在高频通道处添加石墨烯薄片的衰减可调微带双工器的传输系数仿真和测量曲线图。

其中：1-微带电路；2-介质基板；3-金属接地板；11-石墨烯薄片；12-输入微带线；13-第一输出微带线；14-第二输出微带线；15-第一微带谐振器；16-第二微带谐振器；17-第一接地微带线；18-第二接地微带线；21-金属连接孔。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：

参见图1至3，本实用新型一实施例中，提供一种基于石墨烯薄片的衰减可调的微带双工器，包括介质基板2，介质基板2一侧上设置金属接地板3，另一侧上设置微带电路1；微带电路1包括依次间隔设置的第一输出微带线13、第一微带谐振器15、输入微带线12、第二微带谐振器16和第二输出微带线14；第一微带谐振器15和第二微带谐振器16均包括相互连接的直谐振微带线、接地微带线和两条弯折谐振微带线；直谐振微带线和两条弯折谐振微带线同侧设置，且直谐振微带线位于两条弯折谐振微带线之间，且直谐振微带线与两条弯折谐振微带线之间均设置石墨烯薄片11，石墨烯薄片11与直谐振微带线和弯折谐振微带线均紧贴；接地微带线上设置若干连接金属接地板3的金属连接孔21。

具体的，本实用新型基于石墨烯薄片的衰减可调的微带双工器，与现有实现可调双工器的实现方法不同，本实用新型采用石墨烯薄片11作为损耗材料，基于石墨烯薄片11的石墨烯方阻随外加偏置电压的变化产生线性变化的特性，从而达到衰减可调，与此同时具有低反射与良好的选择性能。并且，本实用新型基于石墨烯薄片的衰减可调的微带双工器，每一个通道有各自的传输路径，互相之间没有影响，两信道反射衰减可以单独调节。同时，采用微带线结构，介质基板2上层附有石墨烯薄片11，方便调谐，有效缩小了带通双工器的体积，实现了小型化设计，结构设计简单，生产成本低。

可选的，所述第一微带谐振器15和第二微带谐振器16均为四分之一波长微带谐振器，以保持较好的谐振性能。所述输入微带线12、第一输出微带线13和第二输出微带线14均采用特性阻抗为50欧姆的微带线。所述输入微带线12为矩形微带线，第一输出微带线13和第二微带谐振器16为弯折型微带线。所述金属接地板3的材质为铝、铁、锡、铜、银、金、铂、铝合金、铁合金、锡合金、铜合金、银合金、金合金和铂合金中的任意一种。

可选的，所述输入微带线12与第一微带谐振器15之间的间隔为1.1mm，输入微带线12与第二微带谐振器16之间的间隔为0.18mm，第一输出微带线13与第一微带谐振器15之间的间隔为0.21mm，第二输出微带线14与第一微带谐振器15之间的间隔为0.22mm。所述金属接地板3的厚度为0.018mm，所述接地微带线上设置三个连接金属接地板3的金属连接孔21。

在一种可能的实施方式中，该基于石墨烯薄片的衰减可调的微带双工器还包括偏置电压源，偏置电压源与石墨烯薄片11连接，用于给石墨烯薄片11提供偏置电压，通过加载不同的偏置电压改变石墨烯薄片11的石墨烯方阻。

在一种可能的实施方式中，介质基板2采用相对介电常数为2.2，厚度为0.787mm的Rogers RT/duroid 5880材料。介质基板2上设有六个金属连接孔21，分为两组分别与第一微带谐振器15和第二微带谐振器16的接地微带线连接。输入微带线12、第一输出微带线13和第二输出微带线14的端口均采用50欧姆阻抗匹配微带线，两条弯折谐振微带线分别位于介质基板2正面的上边缘处和下边缘处，矩形的输入微带线12位于第一微带谐振器15和第二微带谐振器16之间。第一微带谐振器15和第二微带谐振器16的结构相似，第一微带谐振器15和第二微带谐振器16的上下两条边为短边即弯折谐振微带线，中间为长边即直谐振微带线，在谐振器的长边与短边之间分别放置两个相同尺寸的石墨烯薄片11。第一微带谐振器15和第二微带谐振器16的结构左侧各留有矩形的第一接地微带线17和第二接地微带线18，第一接地微带线17和第二接地微带线18上均设置有三个金属连接孔21，便于输入、输出接插件外壳接地，保证衰减可调的微带双工器的使用性能。介质基板3背面为覆铜接地板，厚度为0.018mm。

第一输入微带线12为矩形输入微带线，位于第一微带谐振器15和第二微带谐振器16中间，与第一微带谐振器15的下边距离为1.1mm，与第二微带谐振器16的上边距离为0.18mm，第一输入微带线12作为第一输入端口Port1。第一输出微带线13和第二输出微带线14为弯折型输出微带线，分别位于介质基板2正面的上边缘和下边缘，第一输出微带线13与第一微带谐振器15的上边距离为0.21mm，作为第二输出端口Port2。第二输出微带线14与第二微带谐振器16的下边距离为0.22mm，作为第三输出端口Port3。

该微带谐振结构可以产生三模滤波的效果。本实施例中采用如下设计参数，但不限于如下取值：第一微带谐振器15的上下两条短边的长度为32.7mm，宽度为1.1mm，中间长边的长度为36.7mm，宽度为1.1mm。第二微带谐振器16的上下两条短边的长度为16.8mm，宽度为1.1mm，中间长边的长度为36.7mm，宽度为1.1mm，两个微带谐振器的长边与短边的距离均为5.15mm。

其中，所有有关板材参数、金属接地板的厚度以及各缝隙间隔，在保证各通道回波损耗大于10dB的基础上，各通道衰减独立线性可调即可。

通过下述的仿真实验，对本实用新型衰减可调的微带双工器的作进一步说明：

参见图4，为偏置电压从0V增加到6V时，石墨烯薄片11的石墨烯方阻的变化。DC电压源用于为微带电路1和石墨烯薄片11供电。测量结果表明，随着偏置电压的增加，石墨烯薄片11的石墨烯方阻从260欧姆逐渐减小到20欧姆。这种阻抗变换的特性表示石墨烯薄片11可以在某些特定的应用中作为损耗材料。

利用商业仿真软件HFSS_19.0对上述实施例中的基于石墨烯薄片的衰减可调的微带双工器在0.5～3.5GHz范围内进行仿真计算。

参见图5，示出了本实用新型基于石墨烯薄片的衰减可调的微带双工器，在低频通道处添加石墨烯薄片11的反射系数模拟仿真和测量结果。其中，横轴表示该衰减可调的微带双工器的信号频率，左边纵轴表示该衰减可调的微带双工器的回波损耗S₁₁，sim表示模拟仿真结果，Mea表示测量结果，不同线条表示石墨烯薄片11的不同石墨烯方阻。可见，低频通带的中心频率为1.4GHz，带宽为150MHz，随着偏置电压从0V增加到6V，石墨烯薄片11的方阻逐渐降低，该衰减可调的微带双工器的衰减可以从3dB调谐到10dB，并保持很大的选择性并保持低反射。

参见图6，示出了本实用新型基于石墨烯薄片的衰减可调的微带双工器，在低频通道处添加石墨烯薄片11，其他通道不变的情况下的传输系数仿真和测量结果。其中，横轴表示该衰减可调的微带双工器的信号频率，左边纵轴表示该衰减可调的微带双工器的插入损耗，S₂₁表示第二输出端口Port2到第一输入端口Portl的插入损耗，S₃₁表示第一输入端口Port1到第三输出端口Port3之间的插入损耗，sim表示模拟仿真结果，Mea表示测量结果，不同线条表示石墨烯薄片11的不同石墨烯方阻。可见随着石墨烯方阻减小，微带双工器的频率响应的插入损耗增加。

参见图7，示出了本实用新型基于石墨烯薄片的衰减可调的微带双工器，在高频通道处添加石墨烯薄片11，其他通道不变的情况下的反射参数仿真和测量结果。其中，高频通道的中心频率为2.4GHz，带宽为200MHz，可以发现第二通道的回波损耗均优于10dB，性能优良。

参见图8，示出了本实用新型基于石墨烯薄片的衰减可调的微带双工器，在高频通道处添加石墨烯薄片11，其他通道不变的情况下的传输系数仿真结果。可以发现随着石墨烯薄片11的石墨烯方阻减小，该衰减可调的微带双工器的频率响应的插入损耗增加。

综上所述，本实用新型基于石墨烯薄片的衰减可调的微带双工器，在介质基板2的正面设置了微带电路1，微带电路1可以产生多模的效果，当带通双工器的各个通道工作在它们的中心频率时，各谐振单元的电场强度将会达到最大值，此时由于谐振单元附近放置的石墨烯薄片11吸收累积的电场，从而实现各通带的最大衰减。此外，通过改变添加在石墨烯薄片11两端的偏置电压，石墨烯薄片11的石墨烯方阻也将发生线性变化，使得微带双工器的衰减变得线性独立可调，同时，还具有低反射、信号选择性好、设计简单和制造成本低等优点。

以上内容仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于石墨烯薄片的衰减可调的微带双工器，其特征在于，包括介质基板(2)，介质基板(2)一侧上设置金属接地板(3)，另一侧上设置微带电路(1)；

微带电路(1)包括依次间隔设置的第一输出微带线(13)、第一微带谐振器(15)、输入微带线(12)、第二微带谐振器(16)和第二输出微带线(14)；

第一微带谐振器(15)和第二微带谐振器(16)均包括相互连接的直谐振微带线、接地微带线和两条弯折谐振微带线；

直谐振微带线和两条弯折谐振微带线同侧设置，且直谐振微带线位于两条弯折谐振微带线之间，且直谐振微带线与两条弯折谐振微带线之间均设置石墨烯薄片(11)，石墨烯薄片(11)与直谐振微带线和弯折谐振微带线均紧贴；接地微带线上设置若干连接金属接地板(3)的金属连接孔(21)。

2.根据权利要求1所述的基于石墨烯薄片的衰减可调的微带双工器，其特征在于，所述第一微带谐振器(15)和第二微带谐振器(16)均为四分之一波长微带谐振器。

3.根据权利要求1所述的基于石墨烯薄片的衰减可调的微带双工器，其特征在于，所述输入微带线(12)、第一输出微带线(13)和第二输出微带线(14)均采用特性阻抗为50欧姆的微带线。

4.根据权利要求1所述的基于石墨烯薄片的衰减可调的微带双工器，其特征在于，所述介质基板(2)的材质为Rogers RT/duroid 5880材料。

5.根据权利要求1所述的基于石墨烯薄片的衰减可调的微带双工器，其特征在于，所述金属接地板(3)的材质为铝、铁、锡、铜、银、金、铂、铝合金、铁合金、锡合金、铜合金、银合金、金合金和铂合金中的任意一种。

6.根据权利要求1所述的基于石墨烯薄片的衰减可调的微带双工器，其特征在于，所述输入微带线(12)与第一微带谐振器(15)之间的间隔为1.1mm，输入微带线(12)与第二微带谐振器(16)之间的间隔为0.18mm，第一输出微带线(13)与第一微带谐振器(15)之间的间隔为0.21mm，第二输出微带线(14)与第一微带谐振器(15)之间的间隔为0.22mm。

7.根据权利要求1所述的基于石墨烯薄片的衰减可调的微带双工器，其特征在于，所述输入微带线(12)为矩形微带线，第一输出微带线(13)和第二微带谐振器(16)为弯折型微带线。

8.根据权利要求1所述的基于石墨烯薄片的衰减可调的微带双工器，其特征在于，所述金属接地板(3)的厚度为0.018mm，所述接地微带线上设置三个连接金属接地板(3)的金属连接孔(21)。

9.根据权利要求1所述的基于石墨烯薄片的衰减可调的微带双工器，其特征在于，所述第一微带谐振器(15)的两条弯折谐振微带线的长度均为32.7mm，宽度均为1.1mm，直谐振微带线的长度为36.7mm，宽度为1.1mm；弯折谐振微带线与直谐振微带线的间距为5.15mm；

所述第二微带谐振器(16)的两条弯折谐振微带线的长度均为16.8mm，宽度均为1.1mm；直谐振微带线的长度为36.7mm，宽度为1.1mm；弯折谐振微带线与直谐振微带线的间距为5.15mm。

10.根据权利要求1所述的基于石墨烯薄片的衰减可调的微带双工器，其特征在于，还包括偏置电压源，偏置电压源与石墨烯薄片(11)连接，用于给石墨烯薄片(11)提供偏置电压。

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