一种黑磷基波混频器及设计方法与流程

1.本发明利用黑磷非线性特性设计一款变频混频器，是一种基于直流偏置和反射网络下的黑磷变频混频器及设计方法。


背景技术：

2.黑磷，是一种层状半导体材料，仅由磷原子组成的层状晶体，是继石墨烯发现之后的新型二维材料。近些年由于其较高的电子迁移率和可调带隙被大量来制作微波毫米波器件。
3.混频是指将信号从一个频率变换到另外一个频率的过程 ,其实质是频谱线性搬移的过程 。在超外差接收机中 ,混频的目的是保证接收机获得较高的灵敏度 ,足够的放大量和适当的通频带 ,同时又能稳定地工作。
4.虽然没有文献公开报道过关于黑磷微波变频器的设计，但是黑磷具有很强的非线性特征，如文献strong-field nonlinear optical properties of monolayer black phosphorus和文献unusual anisotropic behavior of free-carrier-induced third-harmonic generation in phosphorene at microwave frequencies描述，理论上能来设计黑磷微波变频器。与传统的二极管相比，二维材料黑磷具有结构紧凑，重量轻，无封装效应的优点。经过大量的实验测试，通过机械剥离法获得的黑磷晶体并不能满足实际的指标要求，通过以下方法可以提高黑磷混频器输出的转换损耗。一、通过反射网络回收没有用的谐波再一次反射到黑磷重新参与混频。二、通过加直流电压在黑磷表面，改变黑磷的非线性特性。通过加反射网络和直流偏置都会提高混频器的输出功率、降低转换损耗、充分利用射频功率和本振功率耦合到直通端和耦合端，降低混频器的驻波比，提高黑磷混频器的隔离度。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于解决黑磷变频混频器的输出效率问题，提出了直流偏置和反射网络共同作用于多层黑磷，提高非线性的基于直流偏置和反射网络下的黑磷下变频混频器及设计方法。
6.为了实现上述目的，本发明提出的技术方案如下：直流偏置和反射网络下的黑磷混频器，包括50ω微带线、射频输入端、本振输入端、中频输出端、反射网络、黑磷间隙、直流偏置器。其中，微带线的作用是传输信号，输入端连接射频信号，本振端连接本振信号，射频信号和本振信号经过微带线、本振反射网络和射频反射网络作用与多层黑磷产生谐波分量，在中频输出端输出中频信号。
7.反射网络包括射频端反射端网络、本振端反射网络。
8.射频反射网络是由是四分之一射频信号波长开路线构成，其作用是对本振信号fl为匹配状态，对需回收的信号频率分量为全反射状态。
9.本振端反射网络是由四分之一本振信号波长开路线构成，其作用是对射频信号fr
为匹配状态，对需回收的信号频率分量为全反射状态。中频输出端连接低通滤波结构构成、滤除高频信号，保留有用信号。
10.低通滤波器由微带线组成。输出截至频率设置高于中频频率100m。
11.直流偏置器包括输入直流偏置器和输出直流偏置器。输入直流偏置器和输出直流偏执器结构相同，都有电容、电感组成。
12.外加电流通过输入直流偏置器、黑磷两端的微带线、多层黑磷和输出直流偏置器形成一条回路。
13.输入直流偏置器的作用是接入直流电源，防止直流电源的电流流向信号源，使电流流向黑磷。
14.输出直流偏置器的作用是为了防止电流流向频谱分析仪，起到电路保护和回收直流信号源和黑磷产生的直流。
15.射频信号由射频输入端接入，信号经过本振反射网络流向黑磷，本振信号由本振输入端接入，信号经过射频反射网络流向黑磷，参与混频。电流经过输入直流偏置器流向黑磷，经过输出直流偏置器进行直流的回收。
16.直流信号经过黑磷，提高多层黑磷的混频效率，选取最佳的直流电压。然后加入信号源参与混频。
17.电路的整体连接包括射频信号输入端、阻抗为50ω的铜质微带线、本振信号输入端、本振信号反射网络、覆盖黑磷的微带间隙、射频反射网络、直流偏置器、中频信号输出端。
18.根据多次实验结果显示，覆盖黑磷的微带间隙为0.35mm时，效果最佳。
19.一种基于直流偏置和反射网络下的黑磷下变频混频器的设计方法。
20.（1）射频输入信号频率为fr，本振输入信号频率为fl，输出中频信号为fi=fr-fl。
21.（2）根据射频信号和本振信号的频率设计本振反射网络和射频反射网络。
22.（3）本振反射网络对输入的射频信号fr是匹配状态，对本振信号fl是全反射状态，使本振信号fl重新反射到多层黑磷参与混频，提高本振信号fl的利用率。
23.（4）射频反射网络对输入的本振信号fl是匹配状态，对本振信号fr是全反射状态，使本振信号fr重新反射到多层黑磷参与混频，提高本振信号fr的利用率。
24.（5）利用lc电路设计输入直流偏置和输出直流偏置。
25.（6）输出端口利用低通滤波器进行滤除高频信号，获得有用信号。
26.根据步骤设计本振反射网络、射频反射网络、直流偏置器，设计带有黑磷混频器高频基板的黑磷混频器。
27.（1）反射网络和直流偏置下的混频器外接激励信号源信号发生器。信号发生器产生射频信号fr，本振信号fl。射频信号fr和本振信号fl经过本振反射网络和射频反射网络，经过黑磷参与混频会产生各种谐波分量。
28.（2）射频信号和本振信号，经过反射网络反射到黑磷，重新参与混频，提高信号的利用率。
29.（3）产生新的射频信号和本振信号，重新经过反射网络反射到黑磷参与混频。
30.（4）设计输入直流偏置器和输出直流偏置器，电流从直流源流向输入直流偏置器、多层黑磷、输出直流偏置器，形成一条电流回路，增强黑磷的非线性。
31.（5）将多次产生的中频信号进行叠加合成输出。
32.基于直流偏置和反射网络的黑磷混频器设计完成，具体工作如下。
33.搭建好电路，在射频信号端输入信号fr，在本振端输入信号fl，分别通过本振反射网络和射频反射网络流向黑磷。
34.射频信号和本振信号激励多层黑磷产生谐波信号。
35.连接直流电源，从0v开始，等间距增加，获得最佳的直流电压。
36.直流信号由输出直流偏置输入，输出直流偏置回收。
37.选取最佳的直流电压，然后输入功率从-20db开始，间隔为1db,等间距增加，选取最佳的输入功率。
38.在黑磷产生的信号经过低通滤波器在中频端输出，滤除高频等无用信号，获得有用信号fi=fr-fl。
39.与现有的技术相比，本发明的优点在于：电路简单，易于集成。利用反射网络，减少端口的反射损耗，降低混频器的驻波比，提高了混频器的效率。
附图说明
40.图1为本发明电路原理框图；图2为本发明实施电路图；图3为微带低通滤波结构示意图；图4为本发明的输出频谱图。
41.图中：1、高频介质基板；2、射频信号输入端；3、本振信号输入端；4、输入直流偏置器；5、输出直流偏置器；6、高频电容；7、高频电感；8、本振信号四分之一波长开路线；9、射频信号四分之一波长开路线；10、低通滤波器；11、直流电源；12、中频信号输出端；13、多层黑磷14、阻抗源；15、第一段微带线；16、第二段微带线；17、第三段微带线；18、第四段微带线。
具体实施方式
42.下面将结合附图对本发明作出进一步说明。
43.参见图1和图2，一种基于直流偏置和反射网络的黑磷下变频混频器，包括输入端2连接射频信号，端3连接本振信号。在端13进行混频，直流信号由端11输入，端5进行回收。中频信号由端12输出。
44.输入直流偏置器4和输出直流偏置器5具有相同的结构，都由高频电容6和高频电感7组成。
45.本振反射网络为端8四分之一本振信号波长开路线组成，射频反射网络为端9四分之一射频信号波长开路线组成。
46.输入直流偏置器4经微带线连接在多层黑磷的前端，输出直流偏置器5经微带线连接在射频反射网络的前端。
47.射频信号由端2输入，本振信号由端3输入，直流电压由端11输入。信号经微带线传输到多层黑鳞，参与混频。
48.直流电压由输入直流偏置器4输入，激励多层黑磷产生直流和谐波，在输出直流偏置器5对直流信号进行回收。根据实验，选取最佳的电压。
49.对经过黑磷所产生的信号经过端10低通滤波结构，滤除高频信号，由端12中频输出端输出中频信号。
50.本振反射网络8是由是四分之一本振信号波长开路线构成，对本振信号fl为匹配状态，对需回收的信号频率分量为全反射状态，重新参与混频。
51.射频反射网络9是由四分之一射频信号波长开路线构成，对射频信号fr为匹配状态，对需回收的信号频率分量为全反射状态，重新参与混频。
52.端8本振反射网络和端9射频反射网络，使多层黑磷产生的fr和fl重新参与混频，提高信号的利用率。在中频端12输出中频信号fi=fr-fl。
53.关于低通滤波结构，输出设计高于中频信号100m即可。
54.本实例为了更好的获得输出结果，采用低通微带滤波结构进行输出，低通微带滤波结构如图3所示。
55.经过该实施例，我们得到如图4所示的频谱输出。
56.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。