CN217691596U - 一种基于石墨烯纳米板具有可调衰减的滤波功分器 - Google Patents

Abstract

一种基于石墨烯纳米板具有可调衰减的滤波功分器，包括由金属材料制成的地板，以及设置在地板上的介质层；介质层上设置有谐振层，谐振层包括多模谐振结构、功分结构以及石墨烯纳米板，多模谐振结构包括开路短截线和水平短截线，功分结构包括十字微带线和阶梯阻抗耦合线，阶梯阻抗耦合线设置两对且对称连接在十字微带线末端的上下两侧表面，两对阶梯阻抗耦合线之间连接隔离电阻；多模谐振结构对称设置两对且与两对阶梯阻抗耦合线相连，石墨烯纳米板分别位于阶梯阻抗耦合线以及开路短截线旁侧。本实用新型整体结构分为石墨烯‑谐振层、介质层和地板共三层，结构简单，可以将滤波、功分和衰减集成在一起，形成小型化、多功能化的器件。

Description

一种基于石墨烯纳米板具有可调衰减的滤波功分器

技术领域

本实用新型属于微波器件技术领域，具体涉及一种基于石墨烯纳米板具有可调衰减的滤波功分器。

背景技术

随着无线通信技术的快速发展，微波射频通信技术在日常生活中也得到了越来越广泛的运用，因此无线射频通信系统的稳定性和有效性变得越来越重要，各类无线微波射频通信技术的发展主要依赖于微波器件高性能、低成本、集成化和小型化。滤波器和功分器是微波射频无线通信系统中两种应用非常频繁的无源器件，它们都可以广泛应用于天线阵列、倍频器以及混频器等微波电路中。石墨烯在微波频率方面具有许多重要特性，如柔韧性、全向电阻和可调电阻率。利用电阻率可调的特性，石墨烯也被广泛应用于许多微波器件中，如天线、吸收器和衰减器。可控的电导率使得石墨烯在可调谐器件的设计中具有巨大的潜力，尤其是在衰减器中。以前的工作已经设计和分析了一些基于石墨烯材料的可调谐衰减器，例如“一种基于石墨烯的基片集成波导动态可调”(申请号：201710569085.9，申请公布号：CN 107196028 A)公开了一种基于石墨烯的基片集成波导动态可调衰减器。

现有的这种衰减器由基片集成波导和插在介质中的石墨烯三明治结构构成，可以通过调节石墨烯的电导率、石墨烯的长度以及石墨烯三明治结构间的距离来调节衰减器的衰减量和衰减量的动态调控范围。但是，这种衰减器没有附加功能。随着现代微波器件的发展，多功能性和高集成度变得越来越重要。现有的滤波器、功分器和衰减器常常作为单独的器件以级联方式应用到无线通信系统之中，然而采用这样方式形成的电路结构往往会不可避免地产生额外的插入损耗，以及占用不必要的电路尺寸，大大地限制了系统的小型化。因此，迫切需要将滤波、功分和衰减集成在一起，从而形成小型化、多功能化的器件。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种基于石墨烯纳米板具有可调衰减的滤波功分器，器件结构简单，能够实现器件的小型化和多功能化。

为了实现上述目的，本实用新型有如下的技术方案：

一种基于石墨烯纳米板具有可调衰减的滤波功分器，包括由金属材料制成的地板，以及设置在地板上的介质层；所述介质层上设置有谐振层，所述谐振层包括多模谐振结构、功分结构以及石墨烯纳米板，所述多模谐振结构包括开路短截线和水平短截线，功分结构包括十字微带线和阶梯阻抗耦合线，阶梯阻抗耦合线设置两对且对称连接在十字微带线末端的上下两侧表面，两对阶梯阻抗耦合线之间连接隔离电阻；所述多模谐振结构对称设置两对且与两对阶梯阻抗耦合线相连，所述石墨烯纳米板分别位于所述阶梯阻抗耦合线以及所述开路短截线旁侧。

作为一种优选方案，所述地板以及所述多模谐振结构、功分结构采用金属材料铜制成；介质层采用Rogers RO4003材料制成，介质层的尺寸与地板相同，地板为方形。

作为一种优选方案，所述介质层的介电常数为3.55，损耗角正切为0.0027，层厚为0.813mm。

作为一种优选方案，所述的开路短截线和水平短截线相互垂直，开路短截线与阶梯阻抗耦合线平行。

作为一种优选方案，所述石墨烯纳米板设置四块，包括位于两对阶梯阻抗耦合线旁侧的第一石墨烯纳米板和第二石墨烯纳米板，以及位于两对开路短截线旁侧的第三石墨烯纳米板和第四石墨烯纳米板，四块石墨烯纳米板均位于阶梯阻抗耦合线与开路短截线之间区域。

作为一种优选方案，四块石墨烯纳米板的大小和厚度相同，第一石墨烯纳米板和第二石墨烯纳米板位置对称，第三石墨烯纳米板和第四石墨烯纳米板的位置对称。

作为一种优选方案，所述的阶梯阻抗耦合线由第一分支和第二分支组成复合阶梯型结构，第一分支和第二分支的底部台阶面平行且顶部台阶面重叠，阶梯阻抗耦合线由介质层的上下两侧边延伸而出。

作为一种优选方案，所述隔离电阻的阻值为560Ω。

作为一种优选方案，通过调节所述石墨烯纳米板的表面阻抗来调节滤波功分器的衰减量。

一种基于石墨烯纳米板具有可调衰减的滤波功分器的加工方法，包括以下步骤：

将石墨烯溶液沉积在阶梯阻抗耦合线以及开路短截线旁侧，制备石墨烯纳米板；

通过控制偏置电压调节阶梯阻抗耦合线或开路短截线旁侧石墨烯纳米板的阻值大小；

通过调整对应位置石墨烯纳米板的阻抗，控制滤波功分器的通带衰减大小。

相较于现有技术，本实用新型至少具有如下的有益效果：

本实用新型滤波功分器的可调衰减性能由石墨烯纳米板提供，整体结构从上到下依次可以分为石墨烯-谐振层、介质层和地板共三层，结构简单。多模谐振结构包括开路短截线和水平短截线，它成功完成了频率选择功能，同时提供了良好的场聚集效果。功分结构由十字微带线和阶梯阻抗耦合线组成，提供了功率分配功能。为了实现更好的电场衰减，本实用新型将石墨烯加载在具有较大电场的地方，石墨烯纳米板分别位于阶梯阻抗耦合线以及开路短截线旁侧，负责电场的可控调节，作为可调电阻器工作。输入能量会逐渐消耗在并联加载的石墨烯纳米板上，避免调整过程中输入阻抗不匹配。两对阶梯阻抗耦合线之间连接隔离电阻，具有可调衰减的滤波功分器在介质层上制造谐振层，成本较低，便于PCB工艺大规模生产。本实用新型的加工过程简单，并且可以将滤波、功分和衰减集成在一起，形成小型化、多功能化的器件。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。下面描述中的附图是本实用新型的一部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型基于石墨烯纳米板具有可调衰减的滤波功分器的结构示意图；

图2是本实用新型基于石墨烯纳米板具有可调衰减的滤波功分器的谐振层俯视示意图；

图3是石墨烯的表面阻抗随偏置电压变化的曲线图；

图4是本实用新型滤波功分器的传输系数随着石墨烯表面阻抗的变化图；

图5是本实用新型滤波功分器的反射系数随着石墨烯表面阻抗的变化图。

具体实施方式

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。所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，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的前提下所获得的所有其他实施例，也都属于本实用新型保护的范围。

参见图1，本实用新型实施例基于石墨烯纳米板具有可调衰减的滤波功分器包括地板3以及设置在地板3上的介质层2，介质层2上设置有谐振层1，谐振层1和地板3都采用采用金属材料铜，谐振层1的厚度为0.018mm，地板3的尺寸为23mm*48mm。介质层2采用RogersRO4003材料，其尺寸与地板3相同，介电常数为3.55，损耗角正切为0.0027，层厚为0.813mm。

参照图2，对本实用新型实施例谐振层1的结构作进一步详细说明。

图2中谐振层1包括多模谐振结构4、功分结构5以及石墨烯纳米板6。

其中，多模谐振结构4由宽度为5mm和长度为9mm+32.9mm的开路短截线、宽度为0.4mm和长度8.4mm+8mm+5.5mm的水平短截线组成。功分结构5由十字微带线和阶梯阻抗耦合线组成。将第一石墨烯纳米板61和第二石墨烯纳米板62布置于两对阶梯阻抗耦合线旁侧，将第三石墨烯纳米板63和第四石墨烯纳米板64布置于两对开路短截线旁侧。四块石墨烯纳米板的大小和厚度相同，尺寸均为5mm*7.4mm*0.018mm。由于谐振层1的微带线结构是对称的，所以四块石墨烯纳米板的分布也是对称的，第一石墨烯纳米板61和第二石墨烯纳米板62位置对称，第三石墨烯纳米板63和第四石墨烯纳米板64的位置对称。阶梯阻抗耦合线由第一分支和第二分支组成复合阶梯型结构，第一分支和第二分支的底部台阶面平行且顶部台阶面重叠，阶梯阻抗耦合线由介质层2的上下两侧边延伸而出。两对阶梯阻抗耦合线之间连接隔离电阻7，实施例隔离电阻7的阻值R＝560Ω，以实现良好的隔离和匹配性能。

参照图3，对本实用新型实施例中石墨烯纳米板的石墨烯表面阻抗作进一步详细说明。

图3所示的为石墨烯纳米板的表面阻抗随偏置电压变化的曲线，曲线通过实验测量得到。调节偏置电压可以动态连续调节石墨烯纳米板的电导率，由于石墨烯会对微带线产生阻抗损耗，而石墨烯纳米板的表面阻抗值会影响阻抗损耗的大小，所以调节石墨烯纳米板的表面阻抗就可以调节滤波功分器的衰减量。

下面结合仿真实验对本实用新型的效果做进一步的说明：

1.仿真实验条件：

本实用新型的仿真实验的硬件平台为：处理器为Intel(R)Xeon(R)Gold6240 CPU，主频为2.60GHz，内存32GB。

本实用新型的仿真实验的软件平台为：Windows 10操作系统和HFSS 2020。

2.仿真内容及其结果分析：

仿真实验1，当石墨烯的表面阻值分别为R＝200Ω、R＝500Ω和R＝2000Ω时，对滤波功分器的传输系数随着石墨烯的表面阻值的变化进行仿真，得到传输系数曲线三条，如图4所示。图4的横坐标表示滤波功分器工作的频率，单位是吉赫兹GHz。纵坐标表示滤波功分器的传输系数，单位是分贝dB。图4中以实心菱形实线标示的曲线表示当R＝2000Ω时，滤波功分器的传输系数随着频率变化的曲线。图4中以实心圆形实线标示的曲线表示当R＝500Ω时，滤波功分器的传输系数随着频率变化的曲线。图4中以实心三角形实线标示的曲线表示当R＝200Ω时，滤波功分器的传输系数随着频率变化的曲线。综合三条曲线中可以看出，当石墨烯的阻值越小，传输系数衰减的越多。当阻值R＝200Ω时，传输系数可由-3dB衰减至-10dB。

仿真实验2，当石墨烯的表面阻值分别为R＝200Ω、R＝500Ω和R＝2000Ω时，对滤波功分器的反射系数随着石墨烯的表面阻值的变化进行仿真，得到反射系数曲线三条，如图5所示。图5的横坐标表示滤波功分器工作的频率，单位是吉赫兹GHz。纵坐标表示滤波功分器的反射系数，单位是分贝dB。图5中以实心菱形实线标示的曲线表示当R＝2000Ω时，滤波功分器的反射系数随着频率变化的曲线。图5中以实心圆形实线标示的曲线表示当R＝500Ω时，滤波功分器的反射系数随着频率变化的曲线。图5中以实心三角形实线标示的曲线表示当R＝200Ω时，滤波功分器的反射系数随着频率变化的曲线。综合三条曲线中可以看出，当石墨烯的阻值R＝200Ω时，反射系数可小于-11dB。

本实用新型的滤波功分器由谐振层1、介质层2和地板3构成，谐振层1由多模谐振结构4、功分结构5和石墨烯纳米板6三个部分组成。多模谐振结构4由宽度为5mm和长度为9mm+32.9mm的开路短截线、宽度为0.4mm和长度8.4mm+8mm+5.5mm的水平短截线组成，它成功完成了频率选择功能，同时提供了良好的场聚集效果。功分结构5由十字微带线和阶梯阻抗耦合线组成，提供功率分配功能。为了实现更好的电场衰减，本实用新型将石墨烯加载在具有较大电场的地方。特别地，四个石墨烯纳米板6具有相同的尺寸，分别位于所述阶梯阻抗耦合线以及所述开路短截线旁侧，它们负责电场的可控调节，作为可调电阻器工作。输入能量会逐渐消耗在并联加载的石墨烯纳米板6上，避免调整过程中输入阻抗不匹配。再在两对阶梯阻抗耦合线之间连接隔离电阻7。本实用新型具有可调衰减的滤波功分器在RogersRO4003C材料介质层2上制造，成本较低，便于PCB工艺大规模生产。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于石墨烯纳米板具有可调衰减的滤波功分器，其特征在于，包括由金属材料制成的地板(3)，以及设置在地板(3)上的介质层(2)；所述介质层(2)上设置有谐振层(1)，所述谐振层(1)包括多模谐振结构(4)、功分结构(5)以及石墨烯纳米板(6)，所述多模谐振结构(4)包括开路短截线和水平短截线，功分结构(5)包括十字微带线和阶梯阻抗耦合线，阶梯阻抗耦合线设置两对且对称连接在十字微带线末端的上下两侧表面，两对阶梯阻抗耦合线之间连接隔离电阻(7)；所述多模谐振结构(4)对称设置两对且与两对阶梯阻抗耦合线相连，所述石墨烯纳米板(6)分别位于所述阶梯阻抗耦合线以及所述开路短截线旁侧。

2.根据权利要求1所述基于石墨烯纳米板具有可调衰减的滤波功分器，其特征在于，所述地板(3)以及所述多模谐振结构(4)、功分结构(5)采用金属材料铜制成；介质层(2)采用Rogers RO4003材料制成，介质层(2)的尺寸与地板(3)相同，地板(3)为方形。

3.根据权利要求2所述基于石墨烯纳米板具有可调衰减的滤波功分器，其特征在于，所述介质层(2)的介电常数为3.55，损耗角正切为0.0027，层厚为0.813mm。

4.根据权利要求1所述基于石墨烯纳米板具有可调衰减的滤波功分器，其特征在于，所述的开路短截线和水平短截线相互垂直，开路短截线与阶梯阻抗耦合线平行。

5.根据权利要求1所述基于石墨烯纳米板具有可调衰减的滤波功分器，其特征在于，所述石墨烯纳米板(6)设置四块，包括位于两对阶梯阻抗耦合线旁侧的第一石墨烯纳米板(61)和第二石墨烯纳米板(62)，以及位于两对开路短截线旁侧的第三石墨烯纳米板(63)和第四石墨烯纳米板(64)，四块石墨烯纳米板(6)均位于阶梯阻抗耦合线与开路短截线之间区域。

6.根据权利要求5所述基于石墨烯纳米板具有可调衰减的滤波功分器，其特征在于，四块石墨烯纳米板(6)的大小和厚度相同，第一石墨烯纳米板(61)和第二石墨烯纳米板(62)位置对称，第三石墨烯纳米板(63)和第四石墨烯纳米板(64)的位置对称。

7.根据权利要求1所述基于石墨烯纳米板具有可调衰减的滤波功分器，其特征在于，所述的阶梯阻抗耦合线由第一分支和第二分支组成复合阶梯型结构，第一分支和第二分支的底部台阶面平行且顶部台阶面重叠，阶梯阻抗耦合线由介质层(2)的上下两侧边延伸而出。

8.根据权利要求1所述基于石墨烯纳米板具有可调衰减的滤波功分器，其特征在于，所述隔离电阻(7)的阻值为560Ω。

9.根据权利要求1所述基于石墨烯纳米板具有可调衰减的滤波功分器，其特征在于，通过调节所述石墨烯纳米板(6)的表面阻抗来调节滤波功分器的衰减量。

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