高效率石墨烯倍频器的设计和仿真

赵志龙 郭听听 侯学师 王阳阳

摘 要：石墨烯在2004年被发现，它具有非线性特性，是一种新型的半导体材料，它具有理想的二维平面结构，是极具发展潜力的材料。在2007年，S.A.Mikhailov提出石墨烯具有较强的非线性电磁响应，与传统的非线性双端口器件（如肖特基二极管）相比，石墨烯非线性器件的输出谐波电流随着谐波数的减小而减小得很慢。此外，在电磁波的激励下，石墨烯电路的输出电流只包含基波和奇数谐波分量。（例如：ωt、3ωt、5ωt、7ωt……）。石墨烯被广泛地应用于各个领域，如半导体材料领域、微波射频领域、生物医学领域......目前该材料处于不断探索和应用中，极具研究价值。本文简单介绍了石墨烯五倍频器的工作原理，对石墨烯谐波倍频的产生进行了分析，最后从电路和石墨烯电子器件方面对其发展进行了总结。创新点在于对电路中枝节进行优化从而达到高效倍频和降低倍频损耗的目的。在其工作频率为400MHz～700MHz，输入功率为20dBm时，最小转换损耗可在690MHz达到6.14dB。本文对石墨烯倍频器的工作原理进行研究，创新点在谐波回收从而提高效率，对石墨烯倍频器的高效率应用有重要意义。

关键词：石墨烯;五倍频器;LC谐振回路;高效率

第1章 国内外研究现状

早在2002年10月，世界上第一个石墨烯专利就由美籍华裔科学家张博增博士提出。本专利涉及石墨烯的组成、生产工艺和应用技术。在本专利申请中，清楚地讲述了单原子层和多层石墨烯的制备工艺。普遍认为，这是世界上第一项单层石墨烯、石墨烯增强金属基、树脂基等复合材料的专利。

2011年6月，IBM的研究人员宣布，他们已经成功地为集成电路创建了第一个基于石墨烯的无线宽带混频器。其电路处理频率最高可以达到10GHz，性能在高达127℃的温度下也不受影响。

早在2002年，就成功地制备出垂直于基底表面的石墨烯納米墙。它被认为是一种很好的场致发射电子源材料。2011年，佐治亚理工学院的学者首次发表了垂直排列功能化多层石墨烯三维结构在热界面材料中的应用，以及超高当量导热系数和超低界面热阻。

石墨烯在我国的应用领域主要集中在制备和储能两方面，偏重于基础的应用，国内石墨烯专利大部分是国内申请，国外专利技术布局相对薄弱。

2015年6月，中国南开大学在《自然》期刊下属的自然光学期刊上发布了一则研究报告。报告显示，陈永胜教授及其团队发现了一种特殊的三维构型石墨烯块，在室温而且真空无阻力的情况下，被光线照射时会被推进和移动，其效应是宏观的而不是微观的。半厘米立方大小的实验体被光线照射后，前进了数厘米距离，其原理仍旧无法解释，研究人员推测可能是该种构型石墨烯在受光后会瞬间产生大电子流，这一特性使其非常适合应用在太空领域的太阳帆中。通过计算，大约50平方米的石墨烯帆能让5千克的装载物在20分钟加速到第一宇宙速度。

第2章 石墨烯倍频器的理论基础

1.1石墨烯特性概述

石墨烯是一种只有一层碳原子的新材料。由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯是目前世界上最薄的纳米材料，它在常温下的电子迁移率超过，远高于硅材料，而且电导率只约，远低于铜和银，同时又具有非线性器件的特点。

1.2非线性电路特点

非线性器件伏安特性，可用下面的非线性函数来表示：

（2.1）

式中，u为加在非线性器件上的电压。将上式以泰勒级数展开，得：

（2.2）

分析一种最简单的情况，代入上式，有：

（2.3）

利用三角公式变换：

（2.4）

由（2.4）可以看出，当单一频率信号作用于非线性器件时，在输出电流中不仅包含了输入信号的频率分量，而且还包含了该频率分量的各次谐波分量

所以可以利用石墨烯的非线性特点作为产生谐波的器件来设计倍频器。本文通过抑制基波和三次谐波，输入五次谐波到达最终的目的。

总结

作为一种新兴的研究材料，石墨烯具有独特的性能，有望取代GaN和SiC成为未来最好的半导体材料。通过研究石墨烯在微波倍频器上的应用，提出枝节回收对提高效率有着重要的意义。本文首先介绍了石墨烯材料的特性，对石墨烯倍频器在国内外的发展进行了介绍，然后对石墨烯倍频器的原理进行了说明，通过分析制定了系统的设计方案，设计了振荡回路的电路枝节实现了高效率。