一種石墨烯基寬帶可調衰減器

唐金平,陳昌明,李一庚

(成都信息工程大學通信工程學院,四川成都 610225)

為增加接收機的動態范圍,防止強信號引起的接收機飽和,可調衰減器在通信系統中具有廣泛的應用[1]。為適應現代通信系統的發展,目前對結構簡單、調試方便、具有小衰減步進的射頻衰減器需求日益增加。近來,CMOS 工藝技術、鐵氧體及納米材料已被用于射頻可調衰減器及移相器的設計[2-6],并展現了優異的電磁性能。Pierantoni L 等[7]將石墨烯納米片沉積電阻嵌入微帶線,設計了工作在頻帶1～20 GHz的石墨烯寬帶可調衰減器。M.Yasir 等[8-10]通過在傳輸線兩側并接石墨烯納米片沉積電阻,提出了幾種大動態范圍可調衰減器,為設計大動態范圍的石墨烯可調衰減器提供了一種可行的方案。Zhang 等[11-12]采用石墨烯三明治結構(GSS)設計了基于基片集成波導的可調衰減器,該結構具有低反射系數,但結構相對復雜,動態范圍較小。吳邊等[13]通過在諧振器上加載石墨烯,完成了一種具有雙通帶的衰減器設計。但上述研究中的大部分衰減器未對衰減器可實現的最小步進精確值做進一步研究,使其應用受到限制。

為此,本文提出一種工作在頻帶2～6 GHz,具有小步進,大動態范圍的石墨烯可調衰減器。通過優化石墨烯電阻尺寸,采用兩組直流偏置電壓對石墨烯阻抗進行精細調節,獲得了衰減步進值最小可達到0.4 dB的大動態范圍石墨烯可調衰減器。

1 石墨烯衰減器結構設計

衰減器結構如圖1所示,由沉積的石墨烯電阻、基板、微帶線和接地通孔構成。衰減器結構關于a-a′對稱,所有石墨烯電阻間距均為λ0/4,λ0為中心頻率(4 GHz)的信號在傳輸線上的波長。接地通孔直徑均為0.6 mm。介質基板為0.6 mm厚的FR4,相對介電常數εr為4.7,損耗角正切tanδ為0.02。為獲得最佳的電磁性能,采用HFSS 優化后的幾何尺寸參數如表1所示。

表1 石墨烯衰減器仿真模型尺寸參數表 單位:mm

圖1 石墨烯衰減器結構

根據Kubo 公式,石墨烯在微波段主要呈現電阻特性[14-16]。因此,為方便分析,可將沉積在微帶線兩側的多層石墨烯等效為理想電阻。經過HFSS 仿真優化發現,將圖1 中的石墨烯電Rg0、Rg1、Rg2、Rg3的阻值按1 ∶2 ∶4 ∶8 的比例設計時,可以使得整個衰減器的反射系數最小。石墨烯電阻的阻值計算公式如下:

式中,Lgi和Wgi分別為石墨烯電阻的長和寬,R□為石墨烯方塊電阻。因此,根據上述石墨烯電阻比值和式(1)可以得出石墨烯電阻幾何尺寸。

圖2 是單節衰減單元的簡化電路結構。圖中Rg=Rgi/2,為微帶線兩側石墨烯電阻的并聯值。Z0為微帶線特征阻抗,θ為微帶線電長度,在中心頻率處θ=90°。單節衰減單元的衰減量LI的計算公式為[17]

圖2 單節衰減單元

整個衰減器由10 個衰減單元級聯而成。因此其總衰減值為各衰減單元衰減值的總和。當Rg0取最小值為33 Ω時,Rg1、Rg2和Rg3分別為66 Ω、132 Ω和264 Ω。此時,將各衰減單元的衰減值相加后可得,整個衰減器的最大衰減值約為63.66 dB。

通過實驗發現,按照表1 中的石墨烯尺寸參數來設計時,石墨烯電阻的阻值均在2112 Ω以下。因此,為使仿真更接近真實情況,仿真時所有石墨烯電阻的最大阻值均取2112 Ω。

圖3(a)為S21的仿真結果,可以看出在頻2～6 GHz,衰減量隨石墨烯電阻減小逐漸增大,其衰減動態范圍為4～61dB。且S21的頻帶內平坦度隨著衰減量增大而不斷惡化。當衰減器達到最大衰減時,S21波動達到8 dB。因此在帶內平坦度要求較高時,應在較小的衰減范圍內使用。圖3(b)給出了S11的HFSS 仿真結果。由圖可知,在整個工作頻段內S11優于-18 dB,表明該設計實現了電路的良好匹配。

圖3 S 參數仿真結果

2 測試結果及分析

圖4 為衰減器實物圖。采用滴涂工藝,將購于南京先鋒納米公司的石墨烯納米片分散液滴涂在PCB上,沉積成石墨烯電阻,如圖5所示。為減小滴涂難度,設計時對石墨烯電阻Rg1、Rg2、Rg3的尺寸進行了調整,最終結果如表1所示。此時,若仍然采用同一控制電壓,則石墨烯電阻的比值將不再符合反射系數最小的條件。因此采用了兩組直流偏置電壓V1、V2進行調節。不僅可以通過設置V1和V2為不同的電壓值來獲得低反射系數,還可以實現衰減量的精細化調節。

圖4 衰減器實物圖

圖5 Rg0與V1 的對應關系

衰減器S參數測試采用安捷倫N5244A 矢量網絡分析儀。測試時,通過對V1端口的輸出電流進行測量,得出了Rg0與電壓V1的關系,如圖5所示。由圖5可知,Rg0隨V1增大而減小。當電壓V1從0 V上升到3 V時,Rg0迅速下降,而當V1＞3 V時Rg0則變化緩慢。當V1=0 V時,使用萬用表測得Rg0=1678 Ω。當V1=5 V時,測得Rg0為47 Ω。

選取4 組不同V1、V2電壓取值下的S21參數,如圖6所示。測試結果表明,衰減量隨V1、V2增大而逐漸增加。當V1、V2均為零時,衰減器工作在直通狀態,不對射頻信號進行衰減,測得插入損耗為4.5 dB。當V1、V2分別為5 V 和3 V 時,測得的最大衰減為55.8 dB。由此可知,當V1、V2的調諧范圍分別為0～5 V和0～3 V時,衰減器衰減范圍可達4.5～55.8 dB。通過對控制電壓的精確調節,測得了V1=1.5 V、V2=0.89 V和V1=1.55 V、V2=0.93 V時的S21參數,如圖7所示。經過對比分析可知,衰減步進可達0.4 dB。

圖6 S21測試結果

圖7 衰減步進

圖8 為S11測試結果。由圖8 可知,S11隨控制電壓V1、V2的變化不大,且低于-10 dB。表明衰減器在不同衰減狀態下具有穩定的、較低的反射系數。S11隨頻率升高而增大。當頻率高于3.5 GHz時,S11＞-15 dB。高頻段匹配性能變差的主要原因是FR4 板材的高頻性能欠佳。并且裝配誤差和元件的焊接質量等因素也會導致射頻信號的反射。

圖8 S11測試結果

為考察衰減器的相位特性,對衰減器的相位特性進行了測試。在V1=5 V、V2=3 V的最大衰減條件下測得的結果如圖9所示。測試頻率范圍為1～7 GHz。從圖9 可以看出,該衰減器具有良好的相位線性度。

圖9 相位測試結果

提出的衰減器和相關文獻部分性能對比如表2所示。該衰減器采用了非等值衰減單元級聯結構,與等值衰減單元級聯結構相比[8],在衰減單元數相同的情況下,最大衰減有所減小,但具有較低的反射系數,匹配性能良好。與采用基片集成波導結構的衰減器相比[11-12],本文提出的衰減器結構更容易獲得大動態范圍。因此,本文提出的衰減器具有動態范圍大、衰減步進小和反射系數低的優勢。

表2 本設計衰減器和相關文獻性能對比

3 結束語

提出了一種工作在頻帶2～6 GHz的小衰減步進、大動態范圍石墨烯可調衰減器。通過增加級聯的石墨烯電阻衰減單元,獲得了4.5～55.8 dB的大動態衰減范圍。采用兩組直流偏置電壓對衰減量進行精細化調節,實現了0.4 dB的最小衰減步進值。解決了石墨烯可調衰減器難以兼顧大動態范圍和小衰減步進的問題。為射頻寬帶可調衰減器的設計提供了可供選擇的一種方案。