基于石墨烯的亚毫米波高阶倍频器

编辑|慢纪硬核说

当用低频输入信号照射时，通过石墨烯薄膜中高次谐波分量的非线性激励获得所需的倍频性能。石墨烯薄膜被集成到聚酰亚胺基板上的微带结构中，随后将其嵌入微机械波导块中。

该设计经过优化，可接收26.5至40GHz之间Ka频段的输入信号，并产生220至330GHz之间WR-3频段的输出信号。倍频器模块的完整原型已经制造出来并进行了实验表征。

单级高阶倍频器的拓扑如图1a所示。该电路由波导块和集成多层石墨烯薄膜的微带结构组成。Ka频段的输入信号通过WR-28波导提供至微带转换。

220-330GHz频段的输出信号是石墨烯薄膜中生成的输入信号的谐波分量，通过微带到矩形波导的过渡将其传送到标准WR-3输出波导。

为了在整个Ka频带上在输入端口处实现良好的阻抗匹配，为输入信号提供一条通过微带结构到达终止于波导匹配负载中的第二WR-28波导部分的路径。

微带结构包括通过高阻抗传输线连接的三个波导到微带转换，封闭在具有矩形横截面的金属通道中。必须选择该横截面的尺寸以抑制波导模式在工作频率下的传播。

利用工作频率相对于的降低，通道横截面为0.41mm×0.12mm，从而可以使用50微米微带结构的基板，而不是25微米中所需的底物。

针对该基板厚度，对微带结构进行了彻底的重新设计，集成了石墨烯薄膜和微带到波导的过渡，从而大大简化了相关的制造、处理和组装过程。此外，厚度的增加提高了组装原型的机械和热稳定性。

使用三维电磁模拟器设计和优化了基于石墨烯的倍频器。使用了基于以下两个步骤的优化过程。

2.1亚毫米波段优化

设计过程首先对由微带到WR-3矩形波导过渡、馈电微带线和输出WR-3矩形波导组成的亚毫米波部分进行优化。

微带结构的形状、其位置以及微带过渡附近WR-3波导的高度减小部分的尺寸均经过优化，以获得从输入端口1到输出端口3的最大功率传输。微带线嵌入金属通道中，其尺寸选择为0.41mm×0.12mm，以防止不需要的波导模式的传播。微带线的宽度为130微米，对应于一个50欧姆特性阻抗。

优化过渡的模拟散射参数如图2b所示。输出端口3和输入端口1之间的传输损耗约为5dB，部分是由于向端口2传输的功率，部分是由于基板中的介电损耗和微带结构中的欧姆损耗。输入端口在220-320GHz频段的反射系数低于-10dB，保证了良好的阻抗匹配。

2.2毫米波段优化

在第二设计阶段，完整的倍频器设计在Ka频段进行优化。为此，在整个倍频器设计中插入了在前一阶段优化的微带到WR-3矩形波导的过渡，并且保持不变。

如图3a所示，用于分析Ka频段倍频器的拓扑由两个WR-28波导和连接到微带到WR-3波导过渡的两个微带段组成。完整的微带结构将集成石墨烯薄膜，并以两个WR-28波导至微带过渡端接。

这些过渡由微带结构组成，该微带结构包括短截线和几个具有低阻抗和高阻抗的连续微带部分。此外，WR-28波导中引入了多个减小和增加高度的部分，以实现宽带性能。由于制造工艺的限制，设计采用最小半径为0.4毫米的圆角进行建模。

3.1石墨烯薄膜集成

石墨烯薄膜集成在WR-28和WR-3波导过渡之间的微带段的间隙中，在此观察到最大切向电场水平。

几层石墨烯薄膜机械剥离，制造商声称，在平行和垂直于层表面的方向上的电导率值分别为2.1MS/m和500S/m。使用聚甲基丙烯酸甲酯膜将剥离层转移到聚酰亚胺基板上。

随后使用激光烧蚀工艺对石墨烯薄膜的形状进行图案化。石墨烯薄膜的宽度选择与通道内微带线的宽度相同，以便于亚毫米波信号向WR-3输出端口传输。

将1微米厚金层溅射在聚酰亚胺基板上，同时创建与石墨烯薄膜和微带结构的金属接触，最后通过剥离工艺将其蚀刻成所需的形状。

用于图案化石墨烯膜的相同激光烧蚀工艺用于切割支撑聚酰亚胺基板。随后使用拾放设备将完整的微带结构安装到波导块上。完成的倍频器原型如图4c所示。

3.2测量设置

原型的倍频行为已使用图5所示的实验装置进行了表征。输入信号由矢量网络分析仪生成，并由30dB增益功率放大器放大，通过同轴波导适配器传送至倍频器的波导部分之一。A50欧姆负载通过同轴波导适配器连接到另一个WR-28波导端口。

倍频器的输出信号对应不同次数的谐波分量氮，已使用PNA-X矢量网络分析仪以及弗吉尼亚二极管频率扩展器模块进行测量，工作频段为220-330GHz。

接收扩频模块的功率测量已分两步校准。首先，使用基于热量计的功率计在220-330GHz频段测量了发射频率扩展器模块提供的功率。

接收扩展模块测量了同一发送扩展模块所传送的功率。通过比较两次测量，获得了接收频率扩展器模块所需的校准数据。

输入频带受到WR-28波导到微带过渡性能的限制，范围为28至40GHz。另一方面，输出频带被测量设备限制在220至330GHz的区间。

3.3奇次谐波分量

通过测量220-330GHz频段的输出信号，同时改变输入信号的频率和功率，可以表征基于石墨烯的倍频器对于不同奇次谐波分量的行为。

对于每个考虑的乘法阶数，已评估输出信号的功率与输入信号的功率，输入信号的功率变化为磷在7至21dBm，步长为2dB。对于奇次谐波分量获得的测量数据如图6所示。如表2中所定义的操作带在图中被指示为阴影区域。

相对毫米波来说，亚毫米波频段中产生的功率水平得到了显著改善，在对应于每个谐波阶次的整个频段中表现出主要平坦的频率响应。输出功率中剩余的小频率波动是由波导对输入和输出频带中的微带转换的频率响应的轻微变化引起的。

对电磁波照射石墨烯薄膜的理论分析表明，在垂直入射的特定情况下，由于石墨烯结构的中心对称性，只会产生奇次谐波分量。然而，对于倾斜入射，或者换句话说，当入射电场不平行于石墨烯膜时，对称性并不排除偶数阶分量的产生。

3.4输出功率饱和

对于奇次谐波分量，在输入功率高达21dBm时，可以观察到输出功率相对于输入功率几乎呈线性变化。高于该水平，可以观察到输出功率的饱和效应。对于偶次谐波分量，仅当输入功率值较低时才能观察到输出功率的线性增加，并且当输入功率电平高于大约13dBm时会出现饱和效应。

对于高于21dBm的输入功率水平，结构化石墨烯层的狭窄部分产生的热量会导致聚酰亚胺基板变形，进而导致石墨烯薄膜产生机械应力，从而导致输出功率不稳定。将输入功率增加到超过该点会导致石墨烯层发生不可恢复的损坏。

对于毫米波和亚毫米波频段的操作，已经提出了基于石墨烯的倍频器，使用与本工作中提出的拓扑类似的拓扑。在文献中，提出了一个7倍频器，其工作频段在230GHz和255GHz之间。

通过这种设计，获得的输出功率(−50dBm)和转换增益(−80dB)值远低于在微波频率下获得的值。文献中提出了一种在330GHz至500GHz频段的设计，使用9至17次谐波。在355GHz处实现的最大输出功率和转换增益分别为-36dBm和-60dB。

提出了一种基于石墨烯的毫米波/亚毫米波倍频器，能够生成220-330GHz频段的信号。该器件利用石墨烯的非线性电磁响应在单级中生成输入信号的高次谐波分量，从而减小其尺寸和成本。

考虑不同的乘法阶数，分析了输出功率随输入功率的变化。据观察，乘法器的带宽主要受到石墨烯层周围电路的限制，从而允许未来在高或低频段进行设计。测得的奇次谐波分量的输出功率远高于偶次谐波分量的输出功率。

[1]罗元政，叶志诚，王慧，等.纳米纤维素/石墨烯复合气凝胶的制备及其在油水分离中的应用[J].安全与环境工程，2022，29(2):205-211

[2]张凯伦，陈伊阳，姚猛，等.石墨烯负载离子液体的制备及其与六苯氧基环三磷腈协效阻燃环氧树脂的性能研究[J].中国科学:化学，2021，51(9):1283-1292.

[3]刘志杰，张艳芳，刘安黎，等.配合间隙对蜂窝夹层结构板芯胶接质量的影响与研究[J].复合材料科学与工程，

2021(5):104-109