基于石墨烯的人工表面等离激元波导动态可调柔性衰减器的制作方法

本发明属于衰减器技术领域，具体涉及基于石墨烯的人工表面等离激元波导动态可调柔性衰减器。

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。

由于人工表面等离激元波导相比传统传输线具有一些优势，如场束缚性高，互耦小和柔性好，因此在未来的等离子体器件中具有很大的潜在应用。可调人工表面等离激元波导衰减器是射频系统的重要组成部分。目前已有的衰减器只能与人工表面等离激元波导串联连接，这会对人工表面等离激元波导的传输模式产生较大的影响。因此，需要一种对人工表面等离激元波导模式影响最小的人工表面等离激元波导衰减器。此外，与传统的传输线不同，人工表面等离激元波导有较好的柔性，因为它无需接地板仅由一层导体结构构成。因此，人工表面等离激元波导是构成柔性衰减器的理想选择，因为它具备轻质、柔性和便携性的巨大优势。它还会在个人健康监测系统、表皮电子设备、可穿戴电子设备、墙壁显示器和其他无线系统领域找到许多潜在的应用。尽管已经报道了各种柔性元件，但目前已报道的柔性衰减器只有3db或6db的固定衰减量。另一方面，石墨烯作为一种二维轻质材料，适用于柔性和可调的平面集成电路。

为了实现柔性可调的衰减器，将石墨烯三明治结构放置在人工表面等离激元波导上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人工表面等离激元波导动态可调衰减器，具有柔性、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：

基于石墨烯的人工表面等离激元波导动态可调柔性衰减器，包括波导，在所述的波导上设置石墨烯三明治结构，所述的石墨烯三明治结构包括两个单层石墨烯和设置在两个单层石墨烯之间的隔膜纸；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。

进一步地，所述的波导为人工表面等离激元波导。

进一步地，所述的人工表面等离激元波导设置在柔性介质上。

进一步地，在所述的柔性介质正面印制一层齿轮状金属，形成人工表面等离激元波导。

进一步地，所述的单层石墨烯均附着在pvc上，单层石墨烯通过附着的pvc与人工表面等离激元波导间隔设置。

进一步地，所述的石墨烯三明治结构的长度为30mm，宽度为80mm。

进一步地，所述的齿轮状金属齿轮周期为5mm，凹槽宽度为2mm，凹槽深度为4mm。

发明原理：本申请提出一种将石墨烯三明治结构放置在人工表面等离激元波导上构成的衰减器，这种衰减器由石墨烯三明治结构和人工表面等离激元波导构成，由于石墨烯在人工表面等离激元波导上会引起功率损耗，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人工表面等离激元波导动态可调衰减器，具有柔性、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是制作在人工表面等离激元波导上的衰减器横截面的结构示意图；

图2制作在人工表面等离激元波导上的衰减器的主视图；

图3是石墨烯表面阻抗随偏置电压变化的曲线；

图4是衰减器放平时的|s21|参数随频率的变化；

图5是衰减器放平时的|s11|参数随频率的变化；

图6是衰减器弯曲90°时的|s21|参数随频率的变化；

图7是衰减器弯曲90°时的|s11|参数随频率的变化。

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1-2所示，附图标记为：石墨烯三明治结构1、人工表面等离激元波导2、单层石墨烯3、隔膜纸4、柔性介质5、齿轮状金属6。

基于石墨烯的人工表面等离激元波导动态可调衰减器，包括石墨烯三明治结构1和人工表面等离激元波导2，石墨烯三明治结构1放置在人工表面等离激元波导2上。石墨烯三明治结构1放置在人工表面等离激元波导2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。

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。

单层石墨烯3均附着在pvc上，单层石墨烯3通过附着的pvc与人工表面等离激元波导2间隔设置。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。

制作在人工表面等离激元波导2上衰减器的制作工艺是，先用印制电路板工艺(pcb工艺)在柔性介质5上加工出柔性人工表面等离激元波导2，步骤是在柔性介质5上正面印制一层齿轮状金属6，如图2所示；然后，将石墨烯三明治结构1覆盖在人工表面等离激元波导2上。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。

图3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3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4-7示出了本发明中制作在人工表面等离激元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4-5是衰减器放平时的s参数。图4是衰减器的|s21|参数随频率的变化。

图5是|s11|参数随频率的变化。从图4可以看出，当石墨烯表面阻抗从3000ω/□下降到580ω/□时，衰减器的衰减量在6ghz到9ghz频段内可以从4db增加到16db。从图5可以看出，衰减器的|s11|参数在6ghz到9ghz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。石墨烯三明治结构1的参数为：长度为30mm，宽度为80mm；齿轮状金属6的参数为：齿轮周期为5mm，凹槽宽度为2mm，凹槽深度为4mm。

图6和图7是衰减器弯曲90°时的s参数，曲率半径为35mm。图6是衰减器的|s21|参数随频率的变化。图7是|s11|参数随频率的变化。从图6和图7可以看出，当衰减器弯曲90°曲率半径为35mm时，衰减器的s参数基本不变。