二维材料微波非线性特征研究与倍频器设计

作     者：崔明灿 

作者单位：成都理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：钟晓玲;陈维锋

授予年度：2022年

学科分类：080902[工学-电路与系统] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：二维材料 倍频器 非线性特征 SDD仿真模型 

摘      要：非线性倍频器作为微波毫米波非线性信号源的重要组件,在无线通信、辐射计、雷达系统等电子系统中扮演着重要角色。近些年,石墨烯、黑磷、二硫化钼在微波和光学频段展现出强非线性特征,已成为非线性倍频器领域研究热点。与传统二极管倍频器相比二维材料倍频器具有结构紧凑、无封装效应、低直流驱动的优势,但二维材料微波非线性倍频器在实际应用中还存在许多问题。二维材料微波非线性特征决定了二维材料微波倍频器性能,然而缺少关于黑磷和二硫化钼微波非线性特征实验表征。另外,二维材料变频损耗较高和缺少非线性仿真模型也是限制了二维材料在倍频器中应用的关键因素。 本文以二维材料在微波非线性倍频器的应用为导向,分别从二维材料的微波非线性特征和二维材料倍频器设计以及二维材料非线性仿真模型三个方面展开研究。论文主要包括以下内容: 阐述传统倍频器的工作原理和指标。对比石墨烯、黑磷、二硫化钼的制备和表征方法,提出最优的制备和表征方案。通过二维材料非线性理论,分析了石墨烯、黑磷、二硫化钼的谐波特点。 设计了微带间隙倍频器对二维材料微波非线性特征进行表征。通过频谱仪和微波信号源对二维材料微带间隙倍频器进行测试,测试结果表明石墨烯、黑磷、二硫化钼在微波频段0.6～1 GHz具有很强的非线性特征。石墨烯与二硫化钼微波非线性特征类似,其奇次谐波大于偶次谐波,而石墨烯的非线性特征更强。黑磷各次谐波功率依次下降。 电压对石墨烯的非线性特征具有调控的作用。根据该思想,通过设计了直流偏置电路(Bisa Tee)引入直流偏置电压来改变二维材料非线性特征。实验结果表明外加0～2 V偏置电压能够提升石墨烯与黑磷二次谐波分量,抑制三次谐波分量,而二硫化钼受外加偏置电压的影响不明显。当偏置电压分别为1.2 V和0.8 V时石墨烯和黑磷输出二次谐波功率最大值分别为-15.8 d Bm和-19.3 d Bm。 设计了微带反射网络(MRs)和电容电感谐振网络(LCRs)。MRs和LCRs能够有效降低倍频器变频损耗。基于偏置电压条件下通过MRs和LCRs分别设计了一款石墨烯二倍频器和石墨烯二倍频器。在工作频率0.95 GHz和输入功率18d Bm条件下,黑磷二倍频器最小变频损耗约为-27.9 d B,石墨烯二倍频器最小变频损耗约为-24.3 d B,三次谐波抑制均大于50 d B。 提出石墨烯与黑磷的等效电路模型和相应的数学模型,并导入到Advanced Design System(ADS)软件的Symbol-definition Device(SDD)模型中。通过SDD模型搭建倍频器仿真电路。电路谐波仿真结果与实测结果谐波特征及变化趋势一致。 经过对二维材料微波非线性特征的研究,对利用二维材料的谐波特点来设计相应倍频器具有指导意义。通过对低变频损耗二维材料倍频器的设计和二维材料非线性SDD模型建立积极推动了二维材料微波非线性倍频器的应用。