高效率石墨烯倍頻器的設計和仿真

趙志龍 郭聽聽 侯學師 王陽陽

摘 要：石墨烯在2004年被發現，它具有非線性特性，是一種新型的半導體材料，它具有理想的二維平面結構，是極具發展潛力的材料。在2007年，S.A.Mikhailov提出石墨烯具有較強的非線性電磁響應，與傳統的非線性雙端口器件（如肖特基二極管）相比，石墨烯非線性器件的輸出諧波電流隨著諧波數的減小而減小得很慢。此外，在電磁波的激勵下，石墨烯電路的輸出電流只包含基波和奇數諧波分量。（例如：ωt、3ωt、5ωt、7ωt……）。石墨烯被廣泛地應用于各個領域，如半導體材料領域、微波射頻領域、生物醫學領域......目前該材料處于不斷探索和應用中，極具研究價值。本文簡單介紹了石墨烯五倍頻器的工作原理，對石墨烯諧波倍頻的產生進行了分析，最后從電路和石墨烯電子器件方面對其發展進行了總結。創新點在于對電路中枝節進行優化從而達到高效倍頻和降低倍頻損耗的目的。在其工作頻率為400MHz～700MHz，輸入功率為20dBm時，最小轉換損耗可在690MHz達到6.14dB。本文對石墨烯倍頻器的工作原理進行研究，創新點在諧波回收從而提高效率，對石墨烯倍頻器的高效率應用有重要意義。

關鍵詞：石墨烯;五倍頻器;LC諧振回路;高效率

第1章 國內外研究現狀

早在2002年10月，世界上第一個石墨烯專利就由美籍華裔科學家張博增博士提出。本專利涉及石墨烯的組成、生產工藝和應用技術。在本專利申請中，清楚地講述了單原子層和多層石墨烯的制備工藝。普遍認為，這是世界上第一項單層石墨烯、石墨烯增強金屬基、樹脂基等復合材料的專利。

2011年6月，IBM的研究人員宣布，他們已經成功地為集成電路創建了第一個基于石墨烯的無線寬帶混頻器。其電路處理頻率最高可以達到10GHz，性能在高達127℃的溫度下也不受影響。

早在2002年，就成功地制備出垂直于基底表面的石墨烯納米墻。它被認為是一種很好的場致發射電子源材料。2011年，佐治亞理工學院的學者首次發表了垂直排列功能化多層石墨烯三維結構在熱界面材料中的應用，以及超高當量導熱系數和超低界面熱阻。

石墨烯在我國的應用領域主要集中在制備和儲能兩方面，偏重于基礎的應用，國內石墨烯專利大部分是國內申請，國外專利技術布局相對薄弱。

2015年6月，中國南開大學在《自然》期刊下屬的自然光學期刊上發布了一則研究報告。報告顯示，陳永勝教授及其團隊發現了一種特殊的三維構型石墨烯塊，在室溫而且真空無阻力的情況下，被光線照射時會被推進和移動，其效應是宏觀的而不是微觀的。半厘米立方大小的實驗體被光線照射后，前進了數厘米距離，其原理仍舊無法解釋，研究人員推測可能是該種構型石墨烯在受光后會瞬間產生大電子流，這一特性使其非常適合應用在太空領域的太陽帆中。通過計算，大約50平方米的石墨烯帆能讓5千克的裝載物在20分鐘加速到第一宇宙速度。

第2章 石墨烯倍頻器的理論基礎

1.1石墨烯特性概述

石墨烯是一種只有一層碳原子的新材料。由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。石墨烯是目前世界上最薄的納米材料，它在常溫下的電子遷移率超過，遠高于硅材料，而且電導率只約，遠低于銅和銀，同時又具有非線性器件的特點。

1.2非線性電路特點

非線性器件伏安特性，可用下面的非線性函數來表示：

（2.1）

式中，u為加在非線性器件上的電壓。將上式以泰勒級數展開，得：

（2.2）

分析一種最簡單的情況，代入上式，有：

（2.3）

利用三角公式變換：

（2.4）

由（2.4）可以看出，當單一頻率信號作用于非線性器件時，在輸出電流中不僅包含了輸入信號的頻率分量，而且還包含了該頻率分量的各次諧波分量

所以可以利用石墨烯的非線性特點作為產生諧波的器件來設計倍頻器。本文通過抑制基波和三次諧波，輸入五次諧波到達最終的目的。

總結

作為一種新興的研究材料，石墨烯具有獨特的性能，有望取代GaN和SiC成為未來最好的半導體材料。通過研究石墨烯在微波倍頻器上的應用，提出枝節回收對提高效率有著重要的意義。本文首先介紹了石墨烯材料的特性，對石墨烯倍頻器在國內外的發展進行了介紹，然后對石墨烯倍頻器的原理進行了說明，通過分析制定了系統的設計方案，設計了振蕩回路的電路枝節實現了高效率。