基于石墨烯的可调功率分配比耦合器的制作方法

本实用新型涉及太赫兹通信技术领域，尤其涉及一种基于石墨烯的可调功率分配比耦合器。

背景技术：

耦合器是微波与雷达馈线技术中广泛应用的元件之一。耦合器在通信系统间实现信号功率的传递，实现按比例对功率的分配等。现有技术的耦合器多为金属材质，在耦合器的结构和尺寸固定后，其工作频率和功率分配比(简称功分比)也已确定，不可动态调整。当耦合器的功率分配比需要调整的时候，只能更换耦合器，成本高，且操作复杂。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种基于石墨烯的可调功率分配比耦合器，旨在解决现有技术中的无法实现耦合器的功率分配比动态调整的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种基于石墨烯的可调功率分配比耦合器，包括介质板、设置于所述介质板上表面的谐振环、第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，以及设置于所述介质板下表面的金属贴片，其中：

所述谐振环包括开口相对设置的U形上部和U型底部，所述U形上部和U型底部通过第一矩形部和第二矩形部连接；所述U形上部和U型底部的内壁上各贴合设置第一石墨烯贴片，所述第一矩形部和第二矩形部的内壁上各贴合设置第二石墨烯贴片；

所述U形上部和U型底部的开口端部两侧各连接一第一金属条，每个所述第一金属条的上下两侧对称设置一对第二金属条，每对所述第二金属条的外端部均连接一矩形金属片分别形成第一端口、第二端口、第三端口和第四端口；

所述金属贴片覆盖所述介质板的下表面。

优选的，所述金属贴片的尺寸与所述介质板的尺寸相同；所述U形上部和U型底部的尺寸相同；所述第一矩形部和第二矩形部的尺寸相同。

优选的，所述U形上部和U型底部的厚度与所述第一石墨烯贴片的厚度相同；所述第一矩形部和第二矩形部的厚度与所述第二石墨烯贴片的厚度相同。

优选的，所述U形上部和U型底部的宽度为0.5微米，所述U形上部和U型底部的长度为4.55微米，所述U形上部和U型底部的高度为10微米，所述U形上部和U型底部的开口宽度为3.55微米；所述第一矩形部和第二矩形部的长度为3.15微米、所述第一矩形部和第二矩形部的高度为17微米，所述第一矩形部和第二矩形部的水平距离为1.35微米；所述第一金属条的长度为23微米，所述第一金属条的高度为0.7微米；所述第二金属条的长度为23微米，所述第二金属条的高度为0.2微米；所述第一金属条与其上下两侧对称设置的一对第二金属条的垂直距离均为0.2微米；所述第一金属条与其上下两侧对称设置的一对第二金属条的水平距离均为1.75微米；所述矩形金属片的长度为10微米，所述矩形金属片的高度为1.9微米。

优选的，所述第一石墨烯贴片的宽度为0.5微米，所述第二石墨烯贴片的宽度为0.55微米。

优选的，所述第一石墨烯贴片的化学势和所述第二石墨烯贴片的化学势的调整区间为0电子伏特至0.3电子伏特。

优选的，所述介质板为厚度为1微米，介电常数为3.8的二氧化硅基板。

优选的，所述耦合器在反射系数大于-10dB时，所述耦合器的工作频率为1.47-2.3THz。

相较于现有技术，本实用新型所述基于石墨烯的可调功率分配比耦合器通过在谐振环的内壁上贴合第一石墨烯贴片和第二石墨烯贴片，通过调节第一石墨烯贴片和第二石墨烯贴片上加载的化学势，运用石墨烯优异的电光效应，可以实现耦合器的功率分配比可动态调整。

附图说明

图1是本实用新型基于石墨烯的可调功率分配比耦合器优选实施例的结构示意图。

图2是本实用新型基于石墨烯的可调功率分配比耦合器优选实施例的介质板上表面的结构示意图。

图3是本实用新型基于石墨烯的可调功率分配比耦合器通过电磁仿真软件仿真时反射系数的S参数结果示意图。

图4是本实用新型基于石墨烯的可调功率分配比耦合器通过电磁仿真软件仿真时第一端口和第四端口之间的隔离度结果示意图。

图5是本实用新型基于石墨烯的可调功率分配比耦合器通过电磁仿真软件仿真时第二端口和第三端口之间的相位差结果示意图。

图6是本实用新型基于石墨烯的可调功率分配比耦合器通过电磁仿真软件仿真时第二端口和第三端口的功率分配比结果示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型做进一步的详细说明，以下实施例是对本实用新型的解释，本实用新型并不局限于以下实施例。

参考图1、图2所示，图1是本实用新型基于石墨烯的可调功率分配比耦合器优选实施例的结构示意图。图2是本实用新型基于石墨烯的可调功率分配比耦合器优选实施例的介质板上表面的结构示意图。

在本实施例中，所述基于石墨烯的可调功率分配比耦合器1包括介质板10、设置于所述介质板10上表面的谐振环11、第一端口12、第二端口13、第三端口14和第四端口15，以及设置于所述介质板10下表面的金属贴片16。所述谐振环11、第一端口12、第二端口13、第三端口14和第四端口15的材质可以为金属。作为本实用新型的优选实施例，所述金属贴片16的尺寸与所述介质板10的尺寸相同。

所述谐振环11包括开口相对设置的U形上部111和U型底部112，所述U形上部111和U型底部112通过第一矩形部113和第二矩形部114连接。所述U形上部111和U型底部112的尺寸相同；所述第一矩形部113和第二矩形部114的尺寸相同。所述尺寸包括但不限于：长度、高度、宽度。作为本实用新型的优选实施例，所述U形上部111、U型底部112、第一矩形部113和第二矩形部114可以为一体结构。所述U形上部111和U型底部112的垂直中轴线重合，所述第一矩形部113和第二矩形部114关于该中轴线对称。所述U形上部111和U型底部112的内壁上各贴合设置第一石墨烯贴片115，所述第一矩形部113和第二矩形部114的内壁上各贴合设置第二石墨烯贴片116。所述U形上部111和U型底部112的厚度与所述第一石墨烯贴片115的厚度相同；所述第一矩形部113和第二矩形部114的厚度与所述第二石墨烯贴片116的厚度相同。所述第一石墨烯贴片115的长度与所述第一矩形部113和第二矩形部114的U形内壁的长度相同，所述第二石墨烯贴片116的长度与所述第一矩形部113和第二矩形部114的高度相同。

所述U形上部111和U型底部112的开口端部两侧各连接一第一金属条117，每个所述第一金属条117的上下两侧对称设置一对第二金属条118，每对所述第二金属条118的外端部均连接一矩形金属片119分别形成第一端口12、第二端口13、第三端口14和第四端口15。所述第一端口12为输入端，第二端口13为直通端，第三端口14为耦合端，第四端口15为隔离端。所述各对第二金属条118关于连接的矩形金属片119的水平中轴线对称。

所述金属贴片16覆盖所述介质板10的下表面。所述介质板为厚度为1微米，介电常数为3.8的二氧化硅基板。所述金属贴片可以为铜质。

在本实施例中，所述U形上部111和U型底部112的宽度W1为0.5微米，所述U形上部111和U型底部112的长度L1为4.55微米，所述U形上部和U型底部的高度L2为10微米，所述U形上部111和U型底部112的开口宽度S1为3.55微米；所述第一矩形部113和第二矩形部114的长度W2为3.15微米、所述第一矩形部113和第二矩形部114的高度L3为17微米，所述第一矩形部113和第二矩形部114的水平距离S2为1.35微米；所述第一金属条117的长度L6为23微米，所述第一金属条117的高度W3为0.7微米；所述第二金属条118的长度L4为23微米，所述第二金属条118的高度W4为0.2微米；所述第一金属条117与其上下两侧对称设置的一对第二金属条118的垂直距离S3均为0.2微米；所述第一金属条117与其上下两侧对称设置的一对第二金属条118的水平距离S4均为1.75微米；所述矩形金属片119的长度L5为10微米，所述矩形金属片119的高度W5为1.9微米。

所述第一石墨烯贴片115的宽度Wa为0.5微米，所述第二石墨烯贴片116的宽度Wb为0.55微米；所述第一石墨烯贴片115的化学势和所述第二石墨烯贴片的化学势的调整区间为0电子伏特至0.3电子伏特。需要说明的是，通过对第一石墨烯贴片115和第二石墨烯贴片116上施加不同的电压可以是实现对第一石墨烯贴片115和第二石墨烯贴片116赋予不同的化学势。

参考图3所示，图3是本实用新型基于石墨烯的可调功率分配比耦合器通过电磁仿真软件仿真时反射系数的S参数结果示意图。本实用新型实施例采用5个仿真案例，在所述5个仿真案例中，在所述第一石墨烯贴片115上加载的化学势为μc1，在所述第二石墨烯贴片上加载的化学势为μc2。案例1:μc1＝0.3eV(电子伏特),μc2＝0eV(电子伏特)；案例2:μc1＝0eV(电子伏特),μc2＝0eV(电子伏特)；案例3:μc1＝0.1eV(电子伏特),μc2＝0.2eV(电子伏特)；案例4:μc1＝0.1eV(电子伏特),μc2＝0.1eV(电子伏特)；案例5:μc1＝0eV(电子伏特),μc2＝0.2eV(电子伏特)。从图3可以看出，所述基于石墨烯的可调功率分配比耦合器1在反射系数大于-10dB时，所述基于石墨烯的可调功率分配比耦合器1的工作频率为1.47-2.3THz(太赫兹)，实现宽带特性。

参考图4所示，图4是本实用新型基于石墨烯的可调功率分配比耦合器通过电磁仿真软件仿真时第一端口12(输入端)和第四端口15(隔离端)之间的隔离度结果示意图。从图4中可以看出，在1.47-2.3THz频率范围内，上述5个仿真案例的第一端口12(输入端)和第四端口15(隔离端)之间的隔离度均低于-10dB，所述基于石墨烯的可调功率分配比耦合器1在1.47-2.3THz频率范围内可良好工作。

参考图5所示，图5是本实用新型基于石墨烯的可调功率分配比耦合器通过电磁仿真软件仿真时第二端口13(直通端)和第三端口14(耦合端)之间的相位差结果示意图。从图5中可以看出上述5个仿真案例第二端口13(直通端)和第三端口14(耦合端)之间的相位差均在90度附近，偏差为86.2度到92.2度之间。所述基于石墨烯的可调功率分配比耦合器1在1.47-2.3THz频率范围内可良好工作。

参考图6所示，图6是本实用新型基于石墨烯的可调功率分配比耦合器通过电磁仿真软件仿真时第二端口13(直通端)和第三端口14(耦合端)的功率分配比结果示意图。从图6中可以看出上述5个仿真案例在1.75GHz处，案例1的第二端口13(直通端)和第三端口14(耦合端)的功率差值为5.4dB；案例2的第二端口13(直通端)和第三端口14(耦合端)的功率差值为6.6dB；案例3的第二端口13(直通端)和第三端口14(耦合端)的功率差值为8dB；案例4的第二端口13(直通端)和第三端口14(耦合端)的功率差值为8.46dB；案例5的第二端口13(直通端)和第三端口14(耦合端)的功率差值为9.56dB。

相较于现有技术，本实用新型所述基于石墨烯的可调功率分配比耦合器通过在谐振环的内壁上贴合第一石墨烯贴片和第二石墨烯贴片，通过调节第一石墨烯贴片和第二石墨烯贴片上加载的化学势，运用石墨烯优异的电光效应，可以实现耦合器的功率分配比可动态调整。

以上仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。