基于枝节回收的石墨烯倍频器研究

发布时间：2020-07-12 21:18

【摘要】：近年来,微波、毫米波信号源已经广泛应用于辐射计、雷达、通信和其他电子系统设计领域,而倍频器是产生微波、毫米波信号的常用方法之一。在高频段中,二端口无源倍频器相比于有源振荡器具有更好的稳定性和更优的噪声系数。利用石墨烯材料的电磁场非线性特性制作无源倍频器正在广泛讨论和研究中。由于无枝节回收石墨烯倍频器的倍频损耗较大、工作效率不高,极大地限制了石墨烯倍频器的使用场景。因此针对这一问题本文通过枝节回收方法将需要的谐波分量保留,其余的反射回去。在反射过程中利用基波再次激励石墨烯产生谐波分量,通过两次需要的谐波分量叠加的方式,从而提高倍频输出功率和效率。就此本文做了以下研究工作:本文主要在对石墨烯倍频器的发展与应用调研的基础上,根据倍频器的基本原理与石墨烯的非线性特性。针对如何提高倍频器效率,分别提出并分析倍频器的三个方案:石墨烯间隙大小对石墨烯倍频器效率的对比分析、二硫化钼和石墨烯的倍频效果对比、有无枝节回收对石墨烯倍频器倍频效果分析。通过对三种方案的分析,得到有枝节回收能够提高倍频器效率的结论。本文对枝节回收石墨烯倍频器进行设计,包括微带间隙大小、微带线特性阻抗、枝节回收三部分。制作不同微带间隙和不同微带线阻抗的石墨烯倍频器。通过对不同石墨烯微带线间隙大小和不同阻抗值微带线的石墨烯倍频器测试得到:当微带间隙为0.3mm、阻抗为50欧姆的时候,输出损耗最小。并用HFSS软件设计了微带线,优化得到损耗低的微带线;设计了输入端的枝节回收和输出端的枝节回收网络。设计了两种枝节回收网络:倒弯枝节回收和未倒弯枝节回收。用ADS软件分别对枝节未倒弯和枝节倒弯电路进行仿真,并针对仿真结果选出最优设计方案。对有枝节回收的石墨烯倍频器进行测试,枝节回收网络达到提高石墨烯倍频器效率的效果:当输入功率为14dBm时,无枝节回收的石墨烯倍频器的最小变频损耗为-28.85dB;当输入功率为14dBm时,枝节回收的石墨烯倍频器的最小转换损耗为-24.2dB。本文对有枝节回收石墨烯倍频器的设计,为未来石墨烯在通信领域的应用开拓思路,为研究石墨烯混频器、石墨烯传感器、石墨烯检波器奠定了坚实的基础。石墨烯倍频器将引领通信技术的下一次革命。
【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN771
【图文】：

示意图,倍频器,工作原理,示意图

图 2-1 倍频器工作原理示意图：0 1cos( )if =V ωt：0 0 0Nf =V cos(ω t)i 表示倍频器的输入电压，0V 表示倍频器性变换特性：0( )ii =f v倍频器的变换函数；i0表示倍频器的是。将式（2-3）中输出电流做泰勒级数展' '' 2 ''' 31 10 (0) (0) (0)2! 3!i i i ）+ f v + f v + f v+ 式（2.4），可以得到：1 1

等效电路图,变容二极管,等效电路图

和通信系统的设计中，有源倍频器可以作为一种经济有号的系统中，可以使用低频信号源的频率倍增器。与直接比，这可以提供显著的成本优势。核心是非线性器件（如晶体管），它在基频下产生输入信EMT 作为选择的晶体管时，存在几种非线性源。器的设计通常包括利用这些非线性中的一个或多个，选择偏压电平，以在所需谐波条件下产生可供选择的输出信号网络操纵增强响应。标准做法是利用漏源电流发生器作为波倍频器的原理与设计如下所示：极管微波倍频器管微波倍频器的基本原理是向变容二极管施加稳定的正电流。这种失真意味着电路中会产生高次谐波。选择合适波频率是为了达到倍频效果(朱志勇，王积勤，2003)。

肖特基势垒二极管,原理结构

除了考虑基板厚度、相对介电常数以外，还包括介考虑成本及上述因素后,整个电路制作在介电常数 ε Rogers RT/duroid 5880 基板上。势垒二极管的工作原理二极管主要利用金属与半导体的接触（即金-半接触特基势垒，其对外体现非线性电阻特性。由于其具有大、噪声电平较低、开关响应迅速且结构相对简单等广泛应用于毫米波、太赫兹器件，如倍频器件和混频二极管的原理结构图如图 2-5 所示。二极管制作于高上，在衬底上面的高导电率 N+缓冲层用于降低二极过程中外延层的杂质漂移到衬底上；N+缓冲层之上形成整流结。肖特基势垒二极管是半导体阴极与金属机理是多数载流子发射穿过一个由于功函数不同而。

【参考文献】