基于石墨烯的平面传输线动态可调衰减器的制作方法

本发明属于衰减器技术领域，具体涉及基于石墨烯的平面传输线动态可调衰减器。

背景技术：

衰减器是一种在不引起信号失真并可以增强阻抗匹配的前提下控制信号传输能量的重要元件。

近年来石墨烯由于具备突出的机械、电子和光学性能而受到广泛关注，而且在微波段基于石墨烯的一些元件最近几年也被提出。由于在微波段石墨烯的电导率动态可调，因此最近有一些文献提出了基于石墨烯的动态可调的衰减器。

目前已报道出的基于石墨烯的动态可调的衰减器都是基于微带线结构，但是这种衰减器都具有较大的回波损耗，因此与这种衰减器相连的电路元件的性能会有所下降。

为了减小衰减器的回波损耗并使其便于与平面电路集成，利用石墨烯三明治结构放置在平面传输线的导体附近或导体之间构成的衰减器是一种较好的选择。

技术实现要素：

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平面传输线动态可调衰减器，具有可动态调节的衰减量、较低的回波损耗、较宽的频带。

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：

基于石墨烯的平面传输线动态可调衰减器，包括设置在平面传输线上的石墨烯三明治结构，石墨烯三明治结构包括两个单层石墨烯和隔膜纸；所述的隔膜纸浸透离子液，在每个所述的单层石墨烯均分别连接偏置电压。

所述的平面传输线设置在介质板上。

所述的平面传输线为微带线、共面波导或槽线。

当所述的平面传输线是微带线时，在所述的介质板正面印制一层带状金属，反面印制一层覆盖介质板的金属层，形成微带线；所述的石墨烯三明治结构平行放置在介质板表面并与正面的一层带状金属相接触。

当所述的平面传输线是共面波导时，在所述的介质板上正面平行印制三条间隔设置的带状金属，形成共面波导；石墨烯三明治结构放置在加工好的共面波导上，将三条间隔设置的带状金属相连。

当所述的平面传输线是槽线时，在所述的介质板上正面平行印制两条间隔设置的带状金属，形成槽线；石墨烯三明治结构放置在加工好的槽线上，将两条间隔设置的带状金属相连。

发明原理：本申请提出三种将石墨烯三明治结构放置在平面传输线的导体附近或导体之间构成的衰减器。这三种衰减器由石墨烯三明治结构和微带线、共面波导和槽线构成。由于石墨烯在微带线、共面波导和槽线上会引起功率损耗，因此可以通过外加电压改变石墨烯的电导率来控制衰减器的衰减量。

有益效果：与现有技术相比，本发明的基于石墨烯的平面传输线动态可调衰减器，具有可动态调节的衰减量、较低的回波损耗、较宽的频带，可以通过调节石墨烯的电导率和石墨烯的长度来调节衰减器的衰减量和衰减量的动态调控范围；同时，本申请的衰减器制作工艺简单，易于推广和应用。

附图说明

图1是制作在微带线上的衰减器横截面的结构示意图；

图2是制作在微带线上的衰减器的主视图；

图3是制作在共面波导上的衰减器横截面的结构示意图；

图4是制作在共面波导上的衰减器的主视图；

图5是制作在槽线上的衰减器横截面的结构示意图；

图6是制作在槽线上的衰减器的主视图；

图7是石墨烯表面阻抗随偏置电压变化的曲线；

图8是制作在微带线上的衰减器的插入损耗随频率的变化；

图9是制作在微带线上的衰减器回波损耗随频率的变化；

图10是制作在共面波导上的衰减器的插入损耗随频率的变化；

图11是制作在共面波导上的衰减器的回波损耗随频率的变化；

图12是制作在槽线上的衰减器的插入损耗随频率的变化；

图13是制作在槽线上的衰减器的回波损耗随频率的变化。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施实例对本发明进一步说明。

如图1-6所示，附图标记为：石墨烯三明治结构1、微带线2、单层石墨烯3、隔膜纸4、共面波导5、槽线6、介质板7和带状金属8。单层石墨烯3均附着在PVC上，单层石墨烯3通过附着的PVC与平面传输线间隔设置。

如图1-2所示，制作在微带线上衰减器，包括石墨烯三明治结构1和微带线2，石墨烯三明治结构1平行于介质板7表面放置在微带线2上。制作在微带线上衰减器的制作工艺是，先用印制电路板工艺(PCB工艺)在介质板7上加工出微带线2，步骤是在一块介质板7上正面印制一层带状金属8，如图2所示，反面印制一层覆盖介质板7的金属层；然后将石墨烯三明治结构1平行放置在介质板表面并与正面的一层带状金属相接触。偏置电压施加在每个单层石墨烯3上，以调节石墨烯三明治结构1的电导率。

如图3-4所示，制作在共面波导上的衰减器包括石墨烯三明治结构1和共面波导5，石墨烯三明治结构1平行于介质板7表面跨越两个接地平面(带状金属8)放置在共面波导5上。制作在共面波导上的衰减器的制作工艺是，先用印制电路板工艺(PCB工艺)加工出共面波导5，步骤是在一块介质板7上正面平行印制出三条带状金属8，中间带状金属8与其两侧的带状金属8间隔设置。然后将石墨烯三明治结构1放置在加工好的共面波导5上，将三条间隔设置的带状金属8相连。偏置电压施加在每个单层石墨烯3上，以调节石墨烯三明治结构1的电导率。

如图5-6所示，制作在槽线上的衰减器包括石墨烯三明治结构1和槽线6，石墨烯三明治结构1平行于介质板7表面跨越两个导体(带状金属8)平面放置在槽线6上方。制作在槽线上的衰减器的制作工艺是，先用印制电路板工艺(PCB工艺)加工出槽线6，步骤是在一块介质板7上正面平行印制出两条带状金属8，两条带状金属8间隔设置；然后将石墨烯三明治结构1放置在加工好的槽线6上，将两条间隔设置的带状金属8相连。偏置电压施加在每个单层石墨烯3上，以调节石墨烯三明治结构1的电导率。

石墨烯三明治结构1由两个单层石墨烯3和隔膜纸4组成。为调节石墨烯电导率，隔膜纸4浸透离子液，并且每个单层石墨烯3连接偏置电压。

石墨烯三明治结构1放置在靠近微带线2导带的介质上可以实现阻抗损耗，因此在衰减器的输出端口信号会有所衰减。单层石墨烯3的长度视衰减量的需要而定。调节偏置电压可以动态连续调节单层石墨烯3的电导率，因此衰减器的衰减量可以被动态调控。

石墨烯三明治结构1跨越两个接地平面放置在共面波导5上可以实现阻抗损耗，因此在衰减器的输出端口信号会有所衰减。单层石墨烯3的长度视衰减量的需要而定。调节偏置电压可以动态连续调节单层石墨烯3的电导率，因此衰减器的衰减量可以被动态调控。

石墨烯三明治结构1跨越两个导体平面放置在槽线6上可以实现阻抗损耗，因此在衰减器的输出端口信号会有所衰减。单层石墨烯3的长度视衰减量的需要而定。调节偏置电压可以动态连续调节单层石墨烯3的电导率，因此衰减器的衰减量可以被动态调控。

图7是单层石墨烯3表面阻抗随偏置电压变化的曲线。曲线通过实验测量得到。从图7可以看出加在石墨烯三明治结构1上的偏置电压越高，单层石墨烯3表面阻抗越小。

图8-9示出了本发明中制作在微带线上的衰减器一个具体实施例的衰减器性能参数。曲线通过电磁仿真软件CST得到。

图8是衰减器的|S₂₁|参数随频率的变化。图9是|S₁₁|参数随频率的变化。从图8可以看出，当石墨烯表面阻抗从3000Ω/□下降到520Ω/□时，衰减器的衰减量在10GHz到30GHz频段内可以从3dB增加到14.5dB。从图9可以看出，衰减器的|S₁₁|参数在10GHz到30GHz频段内始终小于-15dB，这表示衰减器的回波损耗始终很小，不会对衰减器两端的电路造成影响。图8-9中，介质板7的参数为：介质相对介电常数为2.2(可以使用Rogers 5880的板材)、厚度为0.6mm；石墨烯三明治结构1的参数为：长度为50mm，宽度为3mm；微带线2的参数为：长度为50mm，导带宽度为1.86mm。

图10-11是制作在共面波导上的衰减器一个具体实施例的衰减器性能参数。曲线通过电磁仿真软件CST得到。

图10是衰减器的|S₂₁|随频率的变化。图11是|S₁₁|随频率的变化。图10-11中，介质板7的参数为：介质相对介电常数为2.2(可以使用Rogers 5880的板材)、厚度为1.575mm；石墨烯三明治结构1的参数为：长度为180mm，宽度为3mm，共面波导5的参数为：长度为200mm，导带宽度为6.3mm，接地平面与导带间的距离为0.3mm。

图10的仿真结果表明，当石墨烯表面阻抗从3000Ω/□下降到520Ω/□时，衰减器的衰减量在10GHz到26GHz频段内可以从3dB增加到14.5dB。

图11的仿真结果表明，衰减器的|S₁₁|参数在10GHz到26GHz频段内始终小于-17dB，这表示衰减器的回波损耗始终很小，不会对衰减器两端的电路造成影响。

图12-13是制作在槽线上的衰减器一个具体实施例的衰减器性能参数。曲线通过电磁仿真软件CST得到。

图12是衰减器的|S₂₁|随频率的变化。图13是|S₁₁|随频率的变化。图12-13中，介质板7的参数为：介质相对介电常数为2.2(可以使用Rogers 5880的板材)、厚度为1.575mm，石墨烯三明治结构1的参数为：长度为180mm，宽度为4.8mm，槽线6的参数为：长度为190mm，导体间槽的宽度为0.29mm。

图12的仿真结果表明，当石墨烯表面阻抗从3000Ω/□下降到520Ω/□时，衰减器的衰减量在11GHz到24GHz频段内可以从3dB增加到14.5dB。

图13的仿真结果表明，衰减器的|S₁₁|参数在11GHz到24GHz频段内始终小于-18dB，这表示衰减器的回波损耗始终很小，不会对衰减器两端的电路造成影响。