一种石墨烯基宽带可调衰减器

唐金平,陈昌明,李一庚

(成都信息工程大学通信工程学院,四川成都 610225)

为增加接收机的动态范围,防止强信号引起的接收机饱和,可调衰减器在通信系统中具有广泛的应用[1]。为适应现代通信系统的发展,目前对结构简单、调试方便、具有小衰减步进的射频衰减器需求日益增加。近来,CMOS 工艺技术、铁氧体及纳米材料已被用于射频可调衰减器及移相器的设计[2-6],并展现了优异的电磁性能。Pierantoni L 等[7]将石墨烯纳米片沉积电阻嵌入微带线,设计了工作在频带1～20 GHz的石墨烯宽带可调衰减器。M.Yasir 等[8-10]通过在传输线两侧并接石墨烯纳米片沉积电阻,提出了几种大动态范围可调衰减器,为设计大动态范围的石墨烯可调衰减器提供了一种可行的方案。Zhang 等[11-12]采用石墨烯三明治结构(GSS)设计了基于基片集成波导的可调衰减器,该结构具有低反射系数,但结构相对复杂,动态范围较小。吴边等[13]通过在谐振器上加载石墨烯,完成了一种具有双通带的衰减器设计。但上述研究中的大部分衰减器未对衰减器可实现的最小步进精确值做进一步研究,使其应用受到限制。

为此,本文提出一种工作在频带2～6 GHz,具有小步进,大动态范围的石墨烯可调衰减器。通过优化石墨烯电阻尺寸,采用两组直流偏置电压对石墨烯阻抗进行精细调节,获得了衰减步进值最小可达到0.4 dB的大动态范围石墨烯可调衰减器。

1 石墨烯衰减器结构设计

衰减器结构如图1所示,由沉积的石墨烯电阻、基板、微带线和接地通孔构成。衰减器结构关于a-a′对称,所有石墨烯电阻间距均为λ0/4,λ0为中心频率(4 GHz)的信号在传输线上的波长。接地通孔直径均为0.6 mm。介质基板为0.6 mm厚的FR4,相对介电常数εr为4.7,损耗角正切tanδ为0.02。为获得最佳的电磁性能,采用HFSS 优化后的几何尺寸参数如表1所示。

表1 石墨烯衰减器仿真模型尺寸参数表 单位:mm

图1 石墨烯衰减器结构

根据Kubo 公式,石墨烯在微波段主要呈现电阻特性[14-16]。因此,为方便分析,可将沉积在微带线两侧的多层石墨烯等效为理想电阻。经过HFSS 仿真优化发现,将图1 中的石墨烯电Rg0、Rg1、Rg2、Rg3的阻值按1 ∶2 ∶4 ∶8 的比例设计时,可以使得整个衰减器的反射系数最小。石墨烯电阻的阻值计算公式如下:

式中,Lgi和Wgi分别为石墨烯电阻的长和宽,R□为石墨烯方块电阻。因此,根据上述石墨烯电阻比值和式(1)可以得出石墨烯电阻几何尺寸。

图2 是单节衰减单元的简化电路结构。图中Rg=Rgi/2,为微带线两侧石墨烯电阻的并联值。Z0为微带线特征阻抗,θ为微带线电长度,在中心频率处θ=90°。单节衰减单元的衰减量LI的计算公式为[17]

图2 单节衰减单元

整个衰减器由10 个衰减单元级联而成。因此其总衰减值为各衰减单元衰减值的总和。当Rg0取最小值为33 Ω时,Rg1、Rg2和Rg3分别为66 Ω、132 Ω和264 Ω。此时,将各衰减单元的衰减值相加后可得,整个衰减器的最大衰减值约为63.66 dB。

通过实验发现,按照表1 中的石墨烯尺寸参数来设计时,石墨烯电阻的阻值均在2112 Ω以下。因此,为使仿真更接近真实情况,仿真时所有石墨烯电阻的最大阻值均取2112 Ω。

图3(a)为S21的仿真结果,可以看出在频2～6 GHz,衰减量随石墨烯电阻减小逐渐增大,其衰减动态范围为4～61dB。且S21的频带内平坦度随着衰减量增大而不断恶化。当衰减器达到最大衰减时,S21波动达到8 dB。因此在带内平坦度要求较高时,应在较小的衰减范围内使用。图3(b)给出了S11的HFSS 仿真结果。由图可知,在整个工作频段内S11优于-18 dB,表明该设计实现了电路的良好匹配。

图3 S 参数仿真结果

2 测试结果及分析

图4 为衰减器实物图。采用滴涂工艺,将购于南京先锋纳米公司的石墨烯纳米片分散液滴涂在PCB上,沉积成石墨烯电阻,如图5所示。为减小滴涂难度,设计时对石墨烯电阻Rg1、Rg2、Rg3的尺寸进行了调整,最终结果如表1所示。此时,若仍然采用同一控制电压,则石墨烯电阻的比值将不再符合反射系数最小的条件。因此采用了两组直流偏置电压V1、V2进行调节。不仅可以通过设置V1和V2为不同的电压值来获得低反射系数,还可以实现衰减量的精细化调节。

图4 衰减器实物图

图5 Rg0与V1 的对应关系

衰减器S参数测试采用安捷伦N5244A 矢量网络分析仪。测试时,通过对V1端口的输出电流进行测量,得出了Rg0与电压V1的关系,如图5所示。由图5可知,Rg0随V1增大而减小。当电压V1从0 V上升到3 V时,Rg0迅速下降,而当V1＞3 V时Rg0则变化缓慢。当V1=0 V时,使用万用表测得Rg0=1678 Ω。当V1=5 V时,测得Rg0为47 Ω。

选取4 组不同V1、V2电压取值下的S21参数,如图6所示。测试结果表明,衰减量随V1、V2增大而逐渐增加。当V1、V2均为零时,衰减器工作在直通状态,不对射频信号进行衰减,测得插入损耗为4.5 dB。当V1、V2分别为5 V 和3 V 时,测得的最大衰减为55.8 dB。由此可知,当V1、V2的调谐范围分别为0～5 V和0～3 V时,衰减器衰减范围可达4.5～55.8 dB。通过对控制电压的精确调节,测得了V1=1.5 V、V2=0.89 V和V1=1.55 V、V2=0.93 V时的S21参数,如图7所示。经过对比分析可知,衰减步进可达0.4 dB。

图6 S21测试结果

图7 衰减步进

图8 为S11测试结果。由图8 可知,S11随控制电压V1、V2的变化不大,且低于-10 dB。表明衰减器在不同衰减状态下具有稳定的、较低的反射系数。S11随频率升高而增大。当频率高于3.5 GHz时,S11＞-15 dB。高频段匹配性能变差的主要原因是FR4 板材的高频性能欠佳。并且装配误差和元件的焊接质量等因素也会导致射频信号的反射。

图8 S11测试结果

为考察衰减器的相位特性,对衰减器的相位特性进行了测试。在V1=5 V、V2=3 V的最大衰减条件下测得的结果如图9所示。测试频率范围为1～7 GHz。从图9 可以看出,该衰减器具有良好的相位线性度。

图9 相位测试结果

提出的衰减器和相关文献部分性能对比如表2所示。该衰减器采用了非等值衰减单元级联结构,与等值衰减单元级联结构相比[8],在衰减单元数相同的情况下,最大衰减有所减小,但具有较低的反射系数,匹配性能良好。与采用基片集成波导结构的衰减器相比[11-12],本文提出的衰减器结构更容易获得大动态范围。因此,本文提出的衰减器具有动态范围大、衰减步进小和反射系数低的优势。

表2 本设计衰减器和相关文献性能对比

3 结束语

提出了一种工作在频带2～6 GHz的小衰减步进、大动态范围石墨烯可调衰减器。通过增加级联的石墨烯电阻衰减单元,获得了4.5～55.8 dB的大动态衰减范围。采用两组直流偏置电压对衰减量进行精细化调节,实现了0.4 dB的最小衰减步进值。解决了石墨烯可调衰减器难以兼顾大动态范围和小衰减步进的问题。为射频宽带可调衰减器的设计提供了可供选择的一种方案。