一種石墨烯基寬帶可調(diào)衰減器

唐金平,陳昌明,李一庚

(成都信息工程大學(xué)通信工程學(xué)院,四川成都 610225)

為增加接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍,防止強(qiáng)信號(hào)引起的接收機(jī)飽和,可調(diào)衰減器在通信系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用[1]。為適應(yīng)現(xiàn)代通信系統(tǒng)的發(fā)展,目前對(duì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便、具有小衰減步進(jìn)的射頻衰減器需求日益增加。近來,CMOS 工藝技術(shù)、鐵氧體及納米材料已被用于射頻可調(diào)衰減器及移相器的設(shè)計(jì)[2-6],并展現(xiàn)了優(yōu)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(shè)計(jì)了工作在頻帶1～20 GHz的石墨烯寬帶可調(diào)衰減器。M.Yasir 等[8-10]通過在傳輸線兩側(cè)并接石墨烯納米片沉積電阻,提出了幾種大動(dòng)態(tài)范圍可調(diào)衰減器,為設(shè)計(jì)大動(dòng)態(tài)范圍的石墨烯可調(diào)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(jié)構(gòu)(GSS)設(shè)計(jì)了基于基片集成波導(dǎo)的可調(diào)衰減器,該結(jié)構(gòu)具有低反射系數(shù),但結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,動(dòng)態(tài)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(shè)計(jì)。但上述研究中的大部分衰減器未對(duì)衰減器可實(shí)現(xiàn)的最小步進(jìn)精確值做進(jìn)一步研究,使其應(yīng)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(jìn),大動(dòng)態(tài)范圍的石墨烯可調(diào)衰減器。通過優(yōu)化石墨烯電阻尺寸,采用兩組直流偏置電壓對(duì)石墨烯阻抗進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié),獲得了衰減步進(jìn)值最小可達(dá)到0.4 dB的大動(dòng)態(tài)范圍石墨烯可調(diào)衰減器。

1 石墨烯衰減器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

衰減器結(jié)構(gòu)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(gòu)成。衰減器結(jié)構(gòu)關(guān)于a-a′對(duì)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(hào)在傳輸線上的波長。接地通孔直徑均為0.6 mm。介質(zhì)基板為0.6 mm厚的FR4,相對(duì)介電常數(shù)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(yōu)化后的幾何尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 石墨烯衰減器仿真模型尺寸參數(shù)表 單位:mm

圖1 石墨烯衰減器結(jié)構(gòu)

根據(jù)Kubo 公式,石墨烯在微波段主要呈現(xiàn)電阻特性[14-16]。因此,為方便分析,可將沉積在微帶線兩側(cè)的多層石墨烯等效為理想電阻。經(jīng)過HFSS 仿真優(yōu)化發(fā)現(xiàn),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(shè)計(jì)時(shí),可以使得整個(gè)衰減器的反射系數(shù)最小。石墨烯電阻的阻值計(jì)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(jù)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(jié)衰減單元的簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)。圖中Rg=Rgi/2,為微帶線兩側(cè)石墨烯電阻的并聯(lián)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(jié)衰減單元的衰減量LI的計(jì)算公式為[17]

圖2 單節(jié)衰減單元

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

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),按照表1 中的石墨烯尺寸參數(shù)來設(shè)計(jì)時(shí),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(shí)情況,仿真時(shí)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(jié)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(dòng)態(tài)范圍為4～61dB。且S21的頻帶內(nèi)平坦度隨著衰減量增大而不斷惡化。當(dāng)衰減器達(dá)到最大衰減時(shí),S21波動(dòng)達(dá)到8 dB。因此在帶內(nèi)平坦度要求較高時(shí),應(yīng)在較小的衰減范圍內(nèi)使用。圖3(b)給出了S11的HFSS 仿真結(jié)果。由圖可知,在整個(gè)工作頻段內(nèi)S11優(yōu)于-18 dB,表明該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了電路的良好匹配。

圖3 S 參數(shù)仿真結(jié)果

2 測(cè)試結(jié)果及分析

圖4 為衰減器實(shí)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(shè)計(jì)時(shí)對(duì)石墨烯電阻Rg1、Rg2、Rg3的尺寸進(jìn)行了調(diào)整,最終結(jié)果如表1所示。此時(shí),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(shù)最小的條件。因此采用了兩組直流偏置電壓V1、V2進(jìn)行調(diào)節(jié)。不僅可以通過設(shè)置V1和V2為不同的電壓值來獲得低反射系數(shù),還可以實(shí)現(xiàn)衰減量的精細(xì)化調(diào)節(jié)。

圖4 衰減器實(shí)物圖

圖5 Rg0與V1 的對(duì)應(yīng)關(guān)系

衰減器S參數(shù)測(cè)試采用安捷倫N5244A 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。測(cè)試時(shí),通過對(duì)V1端口的輸出電流進(jìn)行測(cè)量,得出了Rg0與電壓V1的關(guān)系,如圖5所示。由圖5可知,Rg0隨V1增大而減小。當(dāng)電壓V1從0 V上升到3 V時(shí),Rg0迅速下降,而當(dāng)V1＞3 V時(shí)Rg0則變化緩慢。當(dāng)V1=0 V時(shí),使用萬用表測(cè)得Rg0=1678 Ω。當(dāng)V1=5 V時(shí),測(cè)得Rg0為47 Ω。

選取4 組不同V1、V2電壓取值下的S21參數(shù),如圖6所示。測(cè)試結(jié)果表明,衰減量隨V1、V2增大而逐漸增加。當(dāng)V1、V2均為零時(shí),衰減器工作在直通狀態(tài),不對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行衰減,測(cè)得插入損耗為4.5 dB。當(dāng)V1、V2分別為5 V 和3 V 時(shí),測(cè)得的最大衰減為55.8 dB。由此可知,當(dāng)V1、V2的調(diào)諧范圍分別為0～5 V和0～3 V時(shí),衰減器衰減范圍可達(dá)4.5～55.8 dB。通過對(duì)控制電壓的精確調(diào)節(jié),測(cè)得了V1=1.5 V、V2=0.89 V和V1=1.55 V、V2=0.93 V時(shí)的S21參數(shù),如圖7所示。經(jīng)過對(duì)比分析可知,衰減步進(jìn)可達(dá)0.4 dB。

圖6 S21測(cè)試結(jié)果

圖7 衰減步進(jìn)

圖8 為S11測(cè)試結(jié)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(tài)下具有穩(wěn)定的、較低的反射系數(shù)。S11隨頻率升高而增大。當(dāng)頻率高于3.5 GHz時(shí),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(zhì)量等因素也會(huì)導(dǎo)致射頻信號(hào)的反射。

圖8 S11測(cè)試結(jié)果

為考察衰減器的相位特性,對(duì)衰減器的相位特性進(jìn)行了測(cè)試。在V1=5 V、V2=3 V的最大衰減條件下測(cè)得的結(jié)果如圖9所示。測(cè)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(cè)試結(jié)果

提出的衰減器和相關(guān)文獻(xiàn)部分性能對(duì)比如表2所示。該衰減器采用了非等值衰減單元級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu),與等值衰減單元級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)相比[8],在衰減單元數(shù)相同的情況下,最大衰減有所減小,但具有較低的反射系數(shù),匹配性能良好。與采用基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的衰減器相比[11-12],本文提出的衰減器結(jié)構(gòu)更容易獲得大動(dòng)態(tài)范圍。因此,本文提出的衰減器具有動(dòng)態(tài)范圍大、衰減步進(jìn)小和反射系數(shù)低的優(yōu)勢(shì)。

表2 本設(shè)計(jì)衰減器和相關(guān)文獻(xiàn)性能對(duì)比

3 結(jié)束語

提出了一種工作在頻帶2～6 GHz的小衰減步進(jìn)、大動(dòng)態(tài)范圍石墨烯可調(diào)衰減器。通過增加級(jí)聯(lián)的石墨烯電阻衰減單元,獲得了4.5～55.8 dB的大動(dòng)態(tài)衰減范圍。采用兩組直流偏置電壓對(duì)衰減量進(jìn)行精細(xì)化調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)了0.4 dB的最小衰減步進(jìn)值。解決了石墨烯可調(diào)衰減器難以兼顧大動(dòng)態(tài)范圍和小衰減步進(jìn)的問題。為射頻寬帶可調(diào)衰減器的設(shè)計(jì)提供了可供選擇的一種方案。