基于直流偏置下的石墨烯下变频混频器及设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于直流偏置下的石墨烯下变频混频器及设计方法，采用分支线耦合器、混频单元、低通滤波器的结构，分支线耦合器用于将射频信号和本振信号耦合在一起形成耦合信号，经直通端和耦合端输出，混频单元包括依次设置的第一直流偏置器、多层石墨烯和第二直流偏置器；两个直流偏置器用来隔离交流信号和直流信号，第一直流偏置器还连接直流电源激励多层石墨烯。直流信号激励多层石墨烯后能提升其混频性能，从而使耦合信号激励多层石墨烯后，更好的产生中频信号和高频信号，并利用低通滤波器滤除高频信号，从而得到中频信号，采用本发明专利技术设计的下变频混频器，驻波比低、输入功率线性度宽、变频损耗降低，有利于提高系统的灵敏度。

Design method of graphene down conversion mixer based on DC bias

【技术实现步骤摘要】
基于直流偏置下的石墨烯下变频混频器及设计方法
本专利技术涉及一种下变频混频器，尤其涉及一种基于直流偏置下的石墨烯下变频混频器及设计方法。
技术介绍
下变频混频器是微波接收机射频前端的重要组件，其前端接收从低噪声放大器放大的射频信号，通过和本振信号混频，得到下变频中频信号输出到后端部件。混频器作为接收机射频前端的第二级电路，对提高系统的接收灵敏度有很重要的作用。近年来，石墨烯作为一种二维材料，因其独特的力学、热学和电学特性吸引了众多研究人员，非常适合微波和毫米波电路的应用，如混频器。石墨烯的二维电子和空穴由有效质量消失的有效狄拉克方程描述。因此，石墨烯的电磁响应为强非线性。与传统的非线性双端口器件(如肖特基二极管)相比，石墨烯-非线性器件的输出谐波电流随谐波阶数的降低非常缓慢。石墨烯电路具有天然的均匀谐波抑制特性，非常适合制作非线性器件，如谐波混频器、倍频器等。但是石墨烯混频器变频损耗高和1dB压缩点较低。变频损耗高会使系统的接收灵敏度下降。1dB压缩点会影响混频器输出功率的线性范围，虽然可以通过增加本振功率来提高输出功率，但是达到一定值后，输出功率并不随本振功率线性变化。石墨烯混频器并不能很好的满足实际指标需求。经过大量实验测试，在石墨烯两端增加直流偏置，混频器的性能会有显著提高。石墨烯可以类似比作两个反向的二极管，输出只有奇次谐波分量。加直流偏置电压的石墨烯，相当于导通其中一个二极管，单二极管输出谐波分量既有偶次谐波又有奇次谐波，会提高混频器的输出功率，降低变频损耗。添加直流偏置的石墨烯混频器线性度也得到了提升。分支线耦合器的输出端和隔离端的反射损耗低，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。
技术实现思路
本专利技术的目的就在于提供一种解决上述问题，能降低石墨烯混频器的变频损耗，增加线性度的基于直流偏置下的石墨烯下变频混频器及设计方法。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是这样的：一种基于直流偏置下的石墨烯下变频混频器，包括分支线耦合器，所述分支线耦合器包括输入端、隔离端、直通端和耦合端，其中，所述输入端连接射频信号、隔离端连接本振信号，分支线耦合器用于将射频信号和本振信号耦合在一起形成耦合信号，经直通端和耦合端输出；直通端和耦合端各连接一混频单元，所述混频单元包括多层石墨烯、位于多层石墨烯前端的第一直流偏置器、位于多层石墨烯后端的第二直流偏置器；所述第一直流偏置器和第二直流偏置器者结构相同，包括射频端、直流偏置端和射频直流端；两第一直流偏置器的射频端分别经微带线连接直通端和耦合端、两直流偏置端连接直流电源、两射频直流端分别经微带线连接对应的多层石墨烯的前端，所述直流电源用于产生激励多层石墨烯的直流信号；两第二直流偏置器的射频直流端分别经微带线连接对应的多层石墨烯的后端，直流偏置端接地、两射频端经微带线连接低通滤波器的输入端；直通端、耦合端输出的耦合信号分别进入对应的混频单元，与直流信号一起送入多层石墨烯中激励石墨烯，其中：直流信号经多层石墨烯后被第二直流偏置器回收；耦合信号经在多层石墨烯后端产生中频信号和高频信号送入低通滤波器中，所述低通滤波器滤除高频信号后，输出中频信号。作为优选：所述分支线耦合器90°分支线耦合器。作为优选：所述微带线为阻抗为50Ω的铜质微带线，从上到下依次为铜质导体带层、介质基片层、接地敷铜层，所述铜质导体带层上设有间隙，间隙距离为0.3mm，且多层石墨烯覆盖在间隙上。一种基于直流偏置下的石墨烯下变频混频器的设计方法，包括以下步骤：（1）预设输入的射频信号频率为fr，本振信号频率为fl，输出中频信号频率为fi=fr-fl，并根据射频信号的频率设计分支线耦合器；（2）根据（1）的参数，搭建基于直流偏置下的石墨烯下变频混频器；（3）输入端连接射频信号、隔离端连接本振信号，直流电源的初值置零，低通滤波器的输出端连接频谱仪，启动基于直流偏置下的石墨烯下变频混频器；（4）获取直流电源的最佳直流电压；多层石墨烯的击穿电压为电压A，直流电源的电压初值为0，从0到电压A等间距增加，记录不同直流电压下低通滤波器输出端的频谱图，找出功率最大的频谱图，将该频谱图对应的直流电压值最佳直流电压；（5）将直流电源固定到最佳直流电压，拆卸掉频谱仪，基于直流偏置下的石墨烯下变频混频器设计完成，开始工作。作为优选：步骤（5）中，基于直流偏置下的石墨烯下变频混频器设计完成，开始工作具体为：（51）频率为fr的射频信号、频率为fl的本振信号分别经输入端和隔离端送入分支线耦合器，经分支线耦合器形成两路相位不同的耦合信号，分别经直通端和耦合端输出；（52）直流信号和耦合信号激励多层石墨烯产生信号；直流电源产生直流信号，经第一直流偏置器后，送入多层石墨烯中，并在多层石墨烯后端被第二直流偏置器回收；耦合信号分别进入对应的混频单元，经第一直流偏置器送入多层石墨烯中，并在多层石墨烯后端产生中频信号fi=fr-fl和高频信号；（53）中频信号和高频信号一起送入低通滤波器中，所述低通滤波器滤除高频信号后，仅输出中频信号。本专利技术的原理为：石墨烯材料低电阻率，高电子迁移率的特性适合用作电子器件，又由于其强非线性特性，可以用在微波变频领域。分支线耦合器用来耦合射频和本振信号，降低混频器的驻波比。石墨烯可以类似比作两个反向的二极管，输出只有奇次谐波分量。加直流偏置电压的石墨烯，相当于导通其中一个二极管，单二极管输出谐波分量既有偶次谐波又有奇次谐波，会提高混频器的输出功率，降低变频损耗。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：本专利技术采用分支线耦合器减少输入端口和隔离端口的反射损耗，降低混频器的驻波比。在石墨烯的两端增加直流偏置电压，相当于把反向并联的二极管变为单个二极管，增加了石墨烯的谐波分量，提高混频器的输出功率，降低变频损耗。而且添加直流偏置的石墨烯混频器线性度也得到提升。附图说明图1为本专利技术电路原理框图；图2为本专利技术微带间隙结构示意图；图3为本专利技术实施例2的电路图；图4为分支线耦合器结构示意图；图5为本专利技术未加直流偏置和加直流偏置混频器的输出频谱折线图。图中：1、分支线耦合器；2、第一直流偏置器；3、多层石墨烯；4、第二直流偏置器；5、低通滤波器；6、介质基片层；7、输入端；8、直通端；9、耦合端；10、隔离端；11、第一段微带线；12、第二段微带线；13、第三段微带线；14、第四段微带线；15、第五段微带线；16、第六段微带线；17、第七段微带线；18、第八段微带线；19、铜质导体带层；20、接地敷铜层。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术作进一步说明。实施例1：参见图1和图2，一种基于直流偏置下的石墨烯下变频混频器，包括分支线耦合器1，所述分支线耦合器1包括输入端7、隔离端10、直通端8和耦合端9，其中，所述输入端7连接射频信本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于直流偏置下的石墨烯下变频混频器，包括分支线耦合器，所述分支线耦合器包括输入端、隔离端、直通端和耦合端，所述输入端连接射频信号、隔离端连接本振信号，分支线耦合器用于将射频信号和本振信号耦合在一起形成耦合信号，经直通端和耦合端输出，其特征在于：/n直通端和耦合端各连接一混频单元，所述混频单元包括多层石墨烯、位于多层石墨烯前端的第一直流偏置器、位于多层石墨烯后端的第二直流偏置器；/n所述第一直流偏置器和第二直流偏置器者结构相同，包括射频端、直流偏置端和射频直流端；/n两第一直流偏置器的射频端分别经微带线连接直通端和耦合端、两直流偏置端连接直流电源、两射频直流端分别经微带线连接对应的多层石墨烯的前端，所述直流电源用于产生激励多层石墨烯的直流信号；/n两第二直流偏置器的射频直流端分别经微带线连接对应的多层石墨烯的后端，直流偏置端接地、两射频端经微带线连接低通滤波器的输入端；/n直通端、耦合端输出的耦合信号分别进入对应的混频单元，与直流信号一起送入多层石墨烯中激励石墨烯；/n其中：直流信号经多层石墨烯后被第二直流偏置器回收；/n耦合信号经在多层石墨烯后端产生中频信号和高频信号送入低通滤波器中，所述低通滤波器滤除高频信号后，输出中频信号。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于直流偏置下的石墨烯下变频混频器，包括分支线耦合器，所述分支线耦合器包括输入端、隔离端、直通端和耦合端，所述输入端连接射频信号、隔离端连接本振信号，分支线耦合器用于将射频信号和本振信号耦合在一起形成耦合信号，经直通端和耦合端输出，其特征在于：
直通端和耦合端各连接一混频单元，所述混频单元包括多层石墨烯、位于多层石墨烯前端的第一直流偏置器、位于多层石墨烯后端的第二直流偏置器；
所述第一直流偏置器和第二直流偏置器者结构相同，包括射频端、直流偏置端和射频直流端；
两第一直流偏置器的射频端分别经微带线连接直通端和耦合端、两直流偏置端连接直流电源、两射频直流端分别经微带线连接对应的多层石墨烯的前端，所述直流电源用于产生激励多层石墨烯的直流信号；
两第二直流偏置器的射频直流端分别经微带线连接对应的多层石墨烯的后端，直流偏置端接地、两射频端经微带线连接低通滤波器的输入端；
直通端、耦合端输出的耦合信号分别进入对应的混频单元，与直流信号一起送入多层石墨烯中激励石墨烯；
其中：直流信号经多层石墨烯后被第二直流偏置器回收；
耦合信号经在多层石墨烯后端产生中频信号和高频信号送入低通滤波器中，所述低通滤波器滤除高频信号后，输出中频信号。


2.根据权利要求1所述的基于直流偏置下的石墨烯下变频混频器，其特征在于：所述分支线耦合器为90°分支线耦合器。


3.根据权利要求1所述的基于直流偏置下的石墨烯下变频混频器，其特征在于：所述微带线为阻抗为50Ω的铜质微带线，从上到下依次为铜质导体带层、介质基片层、接地敷铜层，所述铜质导体带层上设有间隙，间隙距离为0.3mm，且多层石墨烯覆盖在间隙上。


4.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：方勇，王阳阳，赵志龙，钟晓玲，郭勇，侯学师，盛浩轩，江钰婷，
申请(专利权)人：成都理工大学，
类型：发明
国别省市：四川;51