石墨烯奇次谐波倍频器及设计方法与流程

本发明涉及一种倍频器，尤其涉及一种石墨烯奇次谐波倍频器及设计方法。

背景技术：

微波、毫米波频率源广泛用于雷达、通信、制导、测试仪器等系统中。而倍频器是频率源中重要组成部分之一。在微波、毫米波频段，二端口无源倍频器广泛用于倍频源设计中，在稳定性、噪声等方面，高频段的二端口无源倍频器比有源振荡器的性能更好。近年来，石墨烯由于具有电子牵引率高、导热性能好等性能，被认为可能成为下一代电子材料，并成为一个热点研究方向。

石墨烯具有良好的非线性特性，如文献s.a.mikhailov.non-linearelectromagneticresponseofgraphene[j].europhys.lett.79,27002(2007)阐述了石墨烯在电磁场激励下，将输出基波及其倍频分量。石墨烯二端口倍频电路具有天然的偶次谐波抑制功能，输出频率分量仅包含基波及奇次谐波，非常适合非线性频率器件(比如倍频器等)。

近期，石墨烯二端口倍频器得到进一步研究，文献m.dragoman,d.neculoiu,g.deligeorgis,etal.millimeter-wavegenerationviafrequencymultiplicationingrapheme[j].appliedphysicsletters.97,093101(2010)报道了一种基于cpw传输线间隙加载石墨烯的微波倍频器，当激励频率5ghz、激励功率0dbm时，7次谐波的倍频损耗最小，约-28db；文献r.camblor,s.verhoeye,g.hotopan,etal.microwavefrequencytriplerbasedonamicrostripgapwithgraphene[j].journalofelectromagneticwavesandapplications.2011,25:1921–1929报道了一种基于微带间隙加载石墨烯的三倍频器，其输出频率为7.5～15ghz，最小倍频损耗为-25.32db。

可见，石墨烯具有很强的电磁场非线性，非常适合倍频器等非线性器件；但是，石墨烯倍频器的倍频损耗较高，工作效率不高，极大地限制了石墨烯倍频器的使用场景。

技术实现要素：

本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，改善石墨烯倍频器倍频效率低下的问题，具有成本低、偶次谐波自身抑制的特点的石墨烯奇次谐波倍频器及设计方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种石墨烯奇次谐波倍频器，包括腔体组件和盖板，所述腔体组件包括腔体和分别位于腔体两端的输入同轴接头和输出同轴接头，还包括石墨烯倍频器高频基片；

所述石墨烯倍频器高频基片包括高频介质基片、设置在高频介质基片上的输入反射网络、石墨烯和输出反射网络，所述输入反射网络和输出反射网络分别位于石墨烯的前端和后端；

设输出信号为基波f0，倍频次数为n，其中倍频后的输出信号为nf0，需回收的信号频率分量为(2n+1)f0，其中n＝1，2，3，4…且(2n+1)≠n；

所述输入反射网络对f0为匹配状态，对需回收的信号频率分量为接地状态；

所述输出反射网络对nf0为匹配状态，对基波和需回收的谐波分量为全反射状态，所述全反射为将基波和需回收的谐波分量经石墨烯反射回输入反射网络。

作为优选：所述输入反射网络和输出反射网络采用50欧姆微带线并联高低阻抗谐振回路的方式实现谐波分量反射回收。

作为优选：高低阻抗谐振回路中，采用高阻抗微带线和低阻抗微带线等效谐振回路，其等效方法如下：

设有一段长度为l，l小于波长，特性阻抗为z0的传输线，其终端接负载zl，则输入阻抗zin为：

其中k为传播常数；

当高阻线负载为低阻时，即zl<<zo，则式(1)写为：

zin≈zl+jz0tankl≈zl+jωl0l(2)

其中ω为角频率，ω＝2πf，f为传输线上传输信号的工作频率，l0为单位长度的等效电感，其中l0l为高阻抗微带线的等效电感；

当低阻线负载为高阻时，即zl＞＞z0，则式(1)写为：

其中c0为单位长度的等效电容，c0l为低阻抗微带线等效的等效电容。

一种石墨烯奇次谐波倍频器的设计方法，采用石墨烯奇次谐波倍频器，其设计方法包括以下步骤：

(1)根据输入信号和倍频次数确定回收的信号频率分量；其中输入信号为基波f0，倍频次数为n，其中倍频后的输出信号为nf0，需回收的信号频率分量为(2n+1)f0，其中n＝1，2，3，4…且(2n+1)≠n；

(2)设计输入反射网络和和输出反射网络；

所述输入反射网络对f0为匹配状态，对需回收的信号频率分量为接地状态；

所述输出反射网络对nf0为匹配状态，对基波和需回收的谐波分量为全反射状态，所述全反射为将基波和需回收的谐波分量经石墨烯反射回输入反射网络；

(3)根据步骤(2)中的输出反射网络、输入反射网络，设计带有石墨烯倍频器高频基片的石墨烯倍频器；

(4)石墨烯倍频器工作

(41)外接激励信号源，产生基波f0，所述基波f0经输入反射网络第一次激励石墨烯后，在石墨烯后端产生基波和奇次谐波分量，所述奇次谐波分量包括输出信号nf0、和需回收的信号频率分量(2n+1)f0，其中n＝1，2，3，4…且(2n+1)≠n；

(42)输出反射网络将输出信号nf0匹配输出，将基波和需回收的谐波分量经石墨烯全反射回石墨烯的前端；

(43)需回收的信号频率分量经输入反射网络接地，基波被反射回石墨烯的前端而经过石墨烯时，第二次激励石墨烯并再次在石墨烯后端产生奇次谐波分量，基波本身继续向前经激励信号源接地；

(44)第二次激励产生的奇次谐波分量重复步骤(42)，再次匹配输出一输出信号nf0；

(45)将两次产生的nf0进行叠加合成输出。

作为优选：所述n＝3和5。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明不要复杂工艺，仅需把石墨烯转移到微带传输间隙上，与传统半导体倍频器相比，制造工艺简单、成本低；本发明中的倍频器仅输出基波和奇次谐波，不需要额外措施即可实现偶次谐波的抑制，相比传统倍频器还需反向并联二极管的方式，具有结构的优点；本发明采用的石墨烯为碳的二维材料，相比传统半导体工艺，可以在一定程度减少污染；本发明采用输入/输出反射网络回收基波和需回收的谐波分量，与同类石墨烯倍频器相比，可以显著提升倍频效率。

另外：本发明采用石墨烯应用在倍频器中，设计特殊的输入反射网络和和输出反射网络，并结合处理方法，基波信号通过输入同轴接头馈入到高频基片的50欧姆微带线上，激励石墨烯后，产生奇次谐波分量，将需要的谐波分量保留，其余的反射回去吸收，并反射过程中，利用基波再次激励石墨烯产生谐波分量，将两次需要的谐波分量叠加，利用此方法提高倍频输出功率和效率。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为图1中高频基片结构示意图；

图3为本发明流程图。

图中：1、盖板；2、高频基片；3、腔体；4、输入同轴接头；5、输出同轴接头；6、50欧姆微带线；7、输入反射网络；8、输出反射网络；9、石墨烯。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：参见图1到图3，一种石墨烯奇次谐波倍频器，包括腔体3组件和盖板1，所述腔体3组件包括腔体3和分别位于腔体3两端的输入同轴接头4和输出同轴接头5，还包括石墨烯9倍频器高频基片2；

所述石墨烯9倍频器高频基片2包括高频介质基片、设置在高频介质基片上的输入反射网络7、石墨烯9和输出反射网络8，所述输入反射网络7和输出反射网络8分别位于石墨烯9的前端和后端；

设输出信号为基波f0，倍频次数为n，其中倍频后的输出信号为nf0，需回收的信号频率分量为(2n+1)f0，其中n＝1，2，3，4…且(2n+1)≠n；

所述输入反射网络7对f0为匹配状态，对需回收的信号频率分量为接地状态；

所述输出反射网络8对nf0为匹配状态，对基波和需回收的谐波分量为全反射状态，所述全反射为将基波和需回收的谐波分量经石墨烯9反射回输入反射网络7。

本实施例中：所述输入反射网络7和输出反射网络8采用50欧姆微带线6并联高低阻抗谐振回路的方式实现谐波分量反射回收；高低阻抗谐振回路中，采用高阻抗微带线和低阻抗微带线等效谐振回路，其等效方法如下：

设有一段长度为l，l小于波长，特性阻抗为z0的传输线，其终端接负载zl，则输入阻抗zin为：

其中k为传播常数；

当高阻线负载为低阻时，即zl<<zo，则式(1)写为：

zin≈zl+jz0tankl≈zl+jωl0l(2)

其中ω为角频率，ω＝2πf，f为传输线上传输信号的工作频率，l0为单位长度的等效电感，其中l0l为高阻抗微带线的等效电感；f可为基波f0、倍频输出信号nf0及需回收的信号频率分量(2n+1)f0，其中n＝1，2，3，4…且(2n+1)≠n)，具体传输什么信号，f选择对应值；

当低阻线负载为高阻时，即zl＞＞zo，则式(1)写为：

其中c0为单位长度的等效电容，c0l为低阻抗微带线等效的等效电容。

一种石墨烯9奇次谐波倍频器的设计方法，采用石墨烯9奇次谐波倍频器，其设计方法包括以下步骤：

(1)根据输入信号和倍频次数确定回收的信号频率分量；其中输入信号为基波f0，倍频次数为n，其中倍频后的输出信号为nf0，需回收的信号频率分量为(2n+1)f0，其中n＝1，2，3，4…且(2n+1)≠n；

(2)设计输入反射网络7和输出反射网络8；

所述输入反射网络7对f0为匹配状态，对需回收的信号频率分量为接地状态；

所述输出反射网络8对nf0为匹配状态，对基波和需回收的谐波分量为全反射状态，所述全反射为将基波和需回收的谐波分量经石墨烯9反射回输入反射网络7；

(3)根据步骤(2)中的输出反射网络8、输入反射网络7，设计带有石墨烯9倍频器高频基片2的石墨烯9倍频器；

(4)石墨烯9倍频器工作

(41)外接激励信号源，产生基波f0，所述基波f0经输入反射网络7第一次激励石墨烯9后，在石墨烯9后端产生基波和奇次谐波分量，所述奇次谐波分量包括输出信号nf0、和需回收的信号频率分量(2n+1)f0，其中n＝1，2，3，4…且(2n+1)≠n；

(42)输出反射网络8将输出信号nf0匹配输出，将基波和需回收的谐波分量经石墨烯9全反射回石墨烯9的前端；

(43)需回收的信号频率分量经输入反射网络7接地，基波被反射回石墨烯9的前端而经过石墨烯9时，第二次激励石墨烯9并再次在石墨烯9后端产生奇次谐波分量，基波本身继续向前经激励信号源接地；

(44)第二次激励产生的奇次谐波分量重复步骤(42)，再次匹配输出一输出信号nf0；

(45)将两次产生的nf0进行叠加合成输出。

本实施例中，所述n＝3和5。

实施例2：为了更好的说明本实发明，我们假设n＝3，此时设计为三次倍频器。

其中高频介质基片上，设置输入反射网络7、石墨烯9和输出反射网络8。由此可知：输入信号为基波f0，倍频后的输出信号为3f0，则需要回收的谐波分量为基波、5f0。由于大部分的谐波分量集中在基波、3次、5次谐波信号，因此，建议重点考虑这些输出信号。

输出反射网络8中：对于输出信号频率3f0，输出反射网络8为匹配状态；而对于基波和5次谐波分量，输出反射网络8为全反射状态。

输入反射网络7中：对f0为匹配状态，对5f0为接地状态；

输入反射网络7和输出反射网络8利用微带线的高低阻抗谐振回路实现对输出回收信号分量的回收，同样，利用ads或hfss等电磁场仿真软件，确定高低阻抗线长与线宽，即可实现对输出回收信号分量的反射。

其设计方法为：

(1)三次倍频器中，输入信号为基波f0，倍频后的输出信号为3f0，则需要回收的谐波分量为基波、5f0；

(2)设计输入反射网络7和和输出反射网络8；

所述输入反射网络7对f0为匹配状态，对5f0为接地状态；

所述输出反射网络8对3f0为匹配状态，对f0和5f0为全反射状态，

(3)根据步骤(2)中的输出反射网络8、输入反射网络7，设计带有石墨烯9倍频器高频基片2的石墨烯9倍频器；

(4)石墨烯9倍频器工作

(41)外接激励信号源，产生基波f0，所述基波f0经输入反射网络7第一次激励石墨烯9后，在石墨烯9后端产生f0、3f0、5f0；

(42)输出反射网络8将输出信号3f0匹配输出，将f0和5f0经石墨烯9全反射回石墨烯9的前端；

(43)5f0经输入反射网络7接地，同时，f0被反射回石墨烯9的前端而经过石墨烯9时，第二次激励石墨烯9并再次在石墨烯9后端产生3f0、5f0等信号，而f0本身继续向前经激励信号源接地；

(44)第二次激励产生的5f0重复步骤(42)被回收，再次匹配输出一输出信号3f0；

(45)将两次产生的3f0进行叠加合成输出。

其余与实施例1相同。

实施例3：我们假设n＝5，此时设计为五次倍频器。

输出反射网络8中：对于输出信号频率5f0，输出反射网络8为匹配状态；而对于其他输出信号分量：基波和3f0，输出反射网络8为全反射状态。

输入反射网络7中：对f0为匹配状态，对3f0为接地状态；

其设计方法为：

(1)五次倍频器中，输入信号为基波f0，倍频后的输出信号为5f0，则需要回收的谐波分量为基波、3f0；

(2)设计输入反射网络7和输出反射网络8；

所述输入反射网络7对f0为匹配状态，对3f0为接地状态；

所述输出反射网络8对5f0为匹配状态，对f0和3f0为全反射状态；

(3)根据步骤(2)中的输出反射网络8、输入反射网络7，设计带有石墨烯9倍频器高频基片2的石墨烯9倍频器；

(4)石墨烯9倍频器工作

(41)外接激励信号源，产生基波f0，所述基波f0经输入反射网络7第一次激励石墨烯9后，在石墨烯9后端产生f0、3f0、5f0；

(42)输出反射网络8将输出信号5f0匹配输出，将f0和3f0经石墨烯9全反射回石墨烯9的前端；

(43)3f0经输入反射网络7接地，f0被反射回石墨烯9的前端而经过石墨烯9时，第二次激励石墨烯9并再次在石墨烯9后端产生3f0、5f0等信号，而f0本身继续向前经激励信号源接地；

(44)第二次激励产生的3f0重复步骤(42)被吸收，再次匹配输出一输出信号5f0；

(45)将两次产生的5f0进行叠加合成输出。

其余与实施例1相同。

实施例4：若n＝7，设计为七次倍频器，此时，输入反射网络7中，需对3f0、5f0设计为接地状态。其余与实施例1相同。