[发明专利]基于直流偏置下的石墨烯偶次谐波倍频器及设计方法

说明书

本发明公开了一种基于直流偏置下的石墨烯偶次谐波倍频器及设计方法，包括腔体、信号输入端、信号输出端、石墨烯倍频器基板，石墨烯倍频器基板包括高频介质基片和设置在其上的石墨烯，石墨烯前端和后端分别通过微带线连接信号输入端和信号输出端，微带线上靠近信号输入端和信号输出端处，分别设有第一直流偏置电路和第二直流偏置电路，而加入偏置电路后能改变石墨烯倍频频谱。本发明通过加入直流偏置，能抑制奇次谐波分量，放大偶次谐波分量，从而提高倍频效果。克服了现有技术中石墨烯在电磁场激励下产生基波和奇次谐波分量对偶次谐波具有天然的抑制功能的缺陷，能实现偶次倍频，在太赫兹器件领域和射频芯片设计上都有广阔的应用空间。

技术领域

本发明涉及一种石墨烯倍频器，尤其涉及一种基于直流偏置下的石墨烯偶次谐波倍频器及设计方法。

背景技术

微波频率源在通信、制导、测试仪器等系统中都具有广泛的应用。而倍频器是收发组件重要组成部分之一。在微波、毫米波频段，二端口无源倍频器广泛用于变频电路中，在线性度、噪声和带宽等方面，无源倍频器比有源倍频器的性能更好。近年来，石墨烯由于较高的电子牵引率、良好的导热性能，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。

研究发现，石墨烯在电磁场激励下，会产生基波及其谐波分量，但是对偶次谐波具有天然的抑制功能，所以输出频率分量简单处理最终仅包含基波及奇次谐波，非常适合制作奇次倍频器和混频器。2018年中国学者Yong Fang就在论文Graphene frequencytripler design using reflector networks中介绍了基于反射网络的石墨烯三倍频器的设计制作及测试。

但因为石墨烯二端口倍频电路具有天然的偶次谐波抑制功能，所以该倍频器是针对奇次倍频器进行设计的，现在还没无法利用它来制作偶次谐波的倍频器，而且石墨烯奇次谐波倍频器的倍频效率较低，无法大规模投入使用。石墨烯倍频器的电路性能还不稳定，电路装配还需要进一步完善。后来我方经过大量实验发现，石墨烯在直流偏置下能克服基波及其谐波分量对偶次谐波具有天然的抑制功能的缺陷，加入直流偏置后，能抑制奇次谐波分量，放大偶次谐波分量，提高倍频效果，所以可以用来制作偶次谐波倍频器。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，克服现有技术中石墨烯在电磁场激励下，会产生基波及其谐波分量对偶次谐波具有天然的抑制功能的缺陷，可以实现偶次倍频的基于直流偏置下的石墨烯偶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：一种基于直流偏置下的石墨烯偶次谐波倍频器，包括腔体、信号输入端、信号输出端、腔体内的石墨烯倍频器基板，所述石墨烯倍频器基板包括高频介质基片和设置在其上的石墨烯，所述石墨烯前端和后端分别通过微带线连接信号输入端和信号输出端；

微带线上靠近信号输入端和信号输出端处，分别设有第一直流偏置电路和第二直流偏置电路，第一直流偏置电路和第二直流偏置电路结构相同，包括隔直电容和高频电感，所述隔直电容两端串联在微带线上，所述高频电感一端位于石墨烯和隔直电容间的微带线上，第一直流偏置电路的高频电感另一端接直流电源，第二直流偏置电路的高频电感接地；

所述信号输入端用于外接激励信号源，所述激励信号源用于产生频率fc的基波信号，经石墨烯后产生各次谐波分量，所述各次谐波分量包括频率为mfc的输出信号、和需回收的信号频率分量nfc，其中n＝1，2，3，4…且n≠m，m为偶数。

作为优选：石墨烯和第一直流偏置电路间设有输入反射网络，石墨烯和第二直流偏置电路间设有输出反射网络；

所述输入反射网络对fc为匹配通过，对需回收的信号频率分量为全反射；

所述输出反射网络对mfc为匹配通过，对fc和需回收的信号频率分量为全反射。

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。