高效率石墨烯倍頻器的設(shè)計(jì)和仿真

趙志龍 郭聽聽 侯學(xué)師 王陽(yáng)陽(yáng)

摘 要：石墨烯在2004年被發(fā)現(xiàn)，它具有非線性特性，是一種新型的半導(dǎo)體材料，它具有理想的二維平面結(jié)構(gòu)，是極具發(fā)展?jié)摿Φ牟牧稀Ｔ?007年，S.A.Mikhailov提出石墨烯具有較強(qiáng)的非線性電磁響應(yīng)，與傳統(tǒng)的非線性雙端口器件（如肖特基二極管）相比，石墨烯非線性器件的輸出諧波電流隨著諧波數(shù)的減小而減小得很慢。此外，在電磁波的激勵(lì)下，石墨烯電路的輸出電流只包含基波和奇數(shù)諧波分量。（例如：ωt、3ωt、5ωt、7ωt……）。石墨烯被廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，如半導(dǎo)體材料領(lǐng)域、微波射頻領(lǐng)域、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域......目前該材料處于不斷探索和應(yīng)用中，極具研究?jī)r(jià)值。本文簡(jiǎn)單介紹了石墨烯五倍頻器的工作原理，對(duì)石墨烯諧波倍頻的產(chǎn)生進(jìn)行了分析，最后從電路和石墨烯電子器件方面對(duì)其發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)。創(chuàng)新點(diǎn)在于對(duì)電路中枝節(jié)進(jìn)行優(yōu)化從而達(dá)到高效倍頻和降低倍頻損耗的目的。在其工作頻率為400MHz～700MHz，輸入功率為20dBm時(shí)，最小轉(zhuǎn)換損耗可在690MHz達(dá)到6.14dB。本文對(duì)石墨烯倍頻器的工作原理進(jìn)行研究，創(chuàng)新點(diǎn)在諧波回收從而提高效率，對(duì)石墨烯倍頻器的高效率應(yīng)用有重要意義。

關(guān)鍵詞：石墨烯;五倍頻器;LC諧振回路;高效率

第1章 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

早在2002年10月，世界上第一個(gè)石墨烯專利就由美籍華裔科學(xué)家張博增博士提出。本專利涉及石墨烯的組成、生產(chǎn)工藝和應(yīng)用技術(shù)。在本專利申請(qǐng)中，清楚地講述了單原子層和多層石墨烯的制備工藝。普遍認(rèn)為，這是世界上第一項(xiàng)單層石墨烯、石墨烯增強(qiáng)金屬基、樹脂基等復(fù)合材料的專利。

2011年6月，IBM的研究人員宣布，他們已經(jīng)成功地為集成電路創(chuàng)建了第一個(gè)基于石墨烯的無線寬帶混頻器。其電路處理頻率最高可以達(dá)到10GHz，性能在高達(dá)127℃的溫度下也不受影響。

早在2002年，就成功地制備出垂直于基底表面的石墨烯納米墻。它被認(rèn)為是一種很好的場(chǎng)致發(fā)射電子源材料。2011年，佐治亞理工學(xué)院的學(xué)者首次發(fā)表了垂直排列功能化多層石墨烯三維結(jié)構(gòu)在熱界面材料中的應(yīng)用，以及超高當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)和超低界面熱阻。

石墨烯在我國(guó)的應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在制備和儲(chǔ)能兩方面，偏重于基礎(chǔ)的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)石墨烯專利大部分是國(guó)內(nèi)申請(qǐng)，國(guó)外專利技術(shù)布局相對(duì)薄弱。

2015年6月，中國(guó)南開大學(xué)在《自然》期刊下屬的自然光學(xué)期刊上發(fā)布了一則研究報(bào)告。報(bào)告顯示，陳永勝教授及其團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種特殊的三維構(gòu)型石墨烯塊，在室溫而且真空無阻力的情況下，被光線照射時(shí)會(huì)被推進(jìn)和移動(dòng)，其效應(yīng)是宏觀的而不是微觀的。半厘米立方大小的實(shí)驗(yàn)體被光線照射后，前進(jìn)了數(shù)厘米距離，其原理仍舊無法解釋，研究人員推測(cè)可能是該種構(gòu)型石墨烯在受光后會(huì)瞬間產(chǎn)生大電子流，這一特性使其非常適合應(yīng)用在太空領(lǐng)域的太陽(yáng)帆中。通過計(jì)算，大約50平方米的石墨烯帆能讓5千克的裝載物在20分鐘加速到第一宇宙速度。

第2章 石墨烯倍頻器的理論基礎(chǔ)

1.1石墨烯特性概述

石墨烯是一種只有一層碳原子的新材料。由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個(gè)碳原子厚度的二維材料。石墨烯是目前世界上最薄的納米材料，它在常溫下的電子遷移率超過，遠(yuǎn)高于硅材料，而且電導(dǎo)率只約，遠(yuǎn)低于銅和銀，同時(shí)又具有非線性器件的特點(diǎn)。

1.2非線性電路特點(diǎn)

非線性器件伏安特性，可用下面的非線性函數(shù)來表示：

（2.1）

式中，u為加在非線性器件上的電壓。將上式以泰勒級(jí)數(shù)展開，得：

（2.2）

分析一種最簡(jiǎn)單的情況，代入上式，有：

（2.3）

利用三角公式變換：

（2.4）

由（2.4）可以看出，當(dāng)單一頻率信號(hào)作用于非線性器件時(shí)，在輸出電流中不僅包含了輸入信號(hào)的頻率分量，而且還包含了該頻率分量的各次諧波分量

所以可以利用石墨烯的非線性特點(diǎn)作為產(chǎn)生諧波的器件來設(shè)計(jì)倍頻器。本文通過抑制基波和三次諧波，輸入五次諧波到達(dá)最終的目的。

總結(jié)

作為一種新興的研究材料，石墨烯具有獨(dú)特的性能，有望取代GaN和SiC成為未來最好的半導(dǎo)體材料。通過研究石墨烯在微波倍頻器上的應(yīng)用，提出枝節(jié)回收對(duì)提高效率有著重要的意義。本文首先介紹了石墨烯材料的特性，對(duì)石墨烯倍頻器在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展進(jìn)行了介紹，然后對(duì)石墨烯倍頻器的原理進(jìn)行了說明，通過分析制定了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了振蕩回路的電路枝節(jié)實(shí)現(xiàn)了高效率。