一种基于石墨烯的基片集成波导动态可调衰减器的制作方法

本发明属于衰减器技术领域，具体涉及一种基于石墨烯的基片集成波导动态可调衰减器。

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，其广泛地应用于电子设备中，它的主要用途是：调整电路中信号的大小；在比较法测量电路中，可用来直读被测网络的衰减值；改善阻抗匹配，若某些电路要求有一个比较稳定的负载阻抗时，则可在此电路与实际负载阻抗之间插入一个衰减器，能够缓冲阻抗的变化。

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更便于与平面电路集成，使用基片集成波导的结构做衰减器是一种较好的选择。

目前已报道出的基于基片集成波导的可调衰减器使用pin二极管提供可调控的电阻，以此来改变衰减器的衰减量。

技术实现要素：

发明目的：为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种基于石墨烯的基片集成波导动态可调衰减器，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。

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：

一种基于石墨烯的基片集成波导动态可调衰减器，该衰减器包括基片集成波导和石墨烯三明治结构，所述的石墨烯三明治结构等间距嵌入基片集成波导的介质中；所述的石墨烯三明治结构包括两个单层石墨烯和隔膜纸，隔膜纸设置在两个单层石墨烯之间；所述的隔膜纸浸透离子液，在隔膜纸的一端的两面涂有导电碳浆，导电碳浆连接偏置电压；所述的石墨烯一端接触涂在隔膜纸上的导电碳浆，以调节石墨烯三明治结构的电导率。

在所述的基片集成波导的上部和下部分别对称设置两排金属过孔。

所述的基片集成波导的两端通过微带线性渐变线和微带线相连。

该衰减器包括基片集成波导和两个石墨烯三明治结构，所述的两个石墨烯三明治结构嵌入基片集成波导的介质中，基片集成波导的介质被分为三个部分。

在所述的基片集成波导上下表面分别设置金属板。

所述的微带线为50ω。

所述的基片集成波导介质相对介电常数3-3.5，厚度1mm-2.5mm。

所述的两排金属过孔间的距离10mm-20mm。

所述的石墨烯三明治结构长度为40mm-60mm。

相邻的所述石墨烯三明治结构间的距离为7.8mm-10mm。

有益效果：与现有技术相比，本发明的一种基于石墨烯的基片集成波导动态可调衰减器，该衰减器由基片集成波导和插在介质中的石墨烯三明治结构构成，具有可动态调节的衰减量、较低的回波损耗、较宽的频带；衰减器可以通过调节石墨烯的电导率、石墨烯的长度以及石墨烯三明治结构间的距离来调节衰减器的衰减量和衰减量的动态调控范围。

附图说明

图1是衰减器的剖视图；

图2是衰减器的主视图；

图3是石墨烯三明治结构示意图；

图4是实施例的石墨烯表面阻抗随偏置电压变化的曲线；

图5是实施例的衰减器s21参数；

图6是实施例的衰减器s11参数。

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。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于

本技术：
所附权利要求所限定的范围。

如图1-2所示，附图标记如下：基片集成波导1、石墨烯三明治结构2、石墨烯3、隔膜纸4、金属板5、微带线性渐变线6、微带线7、金属过孔8和导电碳浆9。微带线7为50ω；基片集成波导1介质相对介电常数3-3.5，厚度1mm-2.5mm；两排金属过孔8间的距离10mm-20mm；所述的石墨烯三明治结构2长度为40mm-60mm；相邻的石墨烯三明治结构2间的距离为7.8mm-10mm。

其中，金属板5和金属过孔8为无耗金属材质，无耗金属选自金、银、铜。微带线性渐变线6用于匹配微带线和基片集成波导。

如图1所示，两个石墨烯三明治结构2嵌入基片集成波导1的介质中，基片集成波导1的介质被分为三个部分；在基片集成波导1上下表面分别设置金属板5。在基片集成波导1的上部和下部分别对称设置两排金属过孔8。两排金属过孔8贯穿基片集成波导1，用于屏蔽电磁场，防止介质内的磁场辐射。

如图2所示，衰减器的主体为基片集成波导1；在基片集成波导1的两端设置微带线性渐变线6和微带线7，基片集成波导1的两端通过微带线性渐变线6和微带线7相连。

基片集成波导1介质中的两个石墨烯三明治结构2尺寸完全一样。石墨烯三明治结构2包括两个单层石墨烯3和隔膜纸4，隔膜纸4设置在两个单层石墨烯3之间；为调节石墨烯电导率，隔膜纸4浸透离子液，如图3所示，在隔膜纸4的一端的两面涂有导电碳浆9，导电碳浆9连接偏置电压。石墨烯3一端接触涂在纸上的导电碳浆9，以调节石墨烯三明治结构2的电导率。其中，离子液为n-甲氧基乙基-n-甲基二乙基铵双(三氟甲磺酰)亚胺盐。

为了给隔膜纸4两侧的单层石墨烯3加偏置电压，石墨烯3的宽度应该略小于基片集成波导1介质的厚度，以避免石墨烯3接触到基片集成波导1上下两层金属板5。

石墨烯3在基片集成波导1中可以实现阻抗损耗，因此在衰减器的输出端口信号会有所衰减。

如图4所示，为石墨烯表面阻抗随偏置电压变化的曲线，曲线通过实验测量得到。调节偏置电压可以动态连续调节石墨烯3的电导率，由于石墨烯在基片集成波导中会产生阻抗损耗，而石墨烯的表面阻抗值会影响阻抗损耗的大小，所以调节石墨烯的表面阻抗就可以调节衰减器的衰减量。

如图5-6所示，为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5是衰减器的插入损耗随频率的变化。图5示出的仿真结果表明，石墨烯表面阻抗降低会导致衰减器衰减量的增加，在7ghz-14.5ghz范围内衰减器的衰减量可以从2db增加到15db。

图6是回波损耗随频率的变化。设计参数为：介质相对介电常数为3.2、厚度为2.5mm的arlonad320，石墨烯三明治结构2长度为55.0mm，两个石墨烯三明治结构2间的距离为7.8mm，基片集成波导1长度为55.0mm，基片集成波导1的两排金属过孔8间的距离为17.5mm，每个金属过孔8的直径为1.43mm，相邻金属过孔8圆心之间的间隔为2.2mm，50ω微带线7的宽度为5.9mm，线性渐变微带线6的宽度为7.8mm，长度为4.8mm。图6表明，在7ghz-14.5ghz范围内衰减器的s11参数始终低于-20db。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种基于石墨烯的基片集成波导动态可调衰减器，属于衰减器技术领域，该衰减器包括基片集成波导和石墨烯三明治结构，石墨烯三明治结构等间距嵌入基片集成波导的介质中；石墨烯三明治结构包括两个单层石墨烯和隔膜纸，隔膜纸设置在两个单层石墨烯之间；隔膜纸浸透离子液，在隔膜纸的一端的两面涂有导电碳浆，导电碳浆连接偏置电压；石墨烯一端接触涂在隔膜纸上的导电碳浆，以调节石墨烯三明治结构的电导率。本发明衰减器由基片集成波导和插在介质中的石墨烯三明治结构构成，可以通过调节石墨烯的电导率、石墨烯的长度以及石墨烯三明治结构间的距离来调节衰减器的衰减量和衰减量的动态调控范围。

技术研发人员：陆卫兵;张安琪;刘震国
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2017.07.13
技术公布日：2017.09.22