[發明專利]一種黑磷基波混頻器及設計方法

在審

• 申請號: 202210091416.3
• 申請日: 2022-01-26
• 公開（公告）號: CN114430252A
• 公開（公告）日: 2022-05-03
• 發明（設計）人: 張青松;王燁;方勇;崔明燦;馬建浩;王振宇;向鵬程;王慧君
• 申請（專利權）人: 成都理工大學;王燁
• 主分類號: H03D7/16
• 分類號: H03D7/16
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種黑磷基波混頻器及設計方法，采用本振信號反射網絡和射頻信號反射網絡、混頻單元、低通濾波結構，射頻信號和本征信號分別經過本振放射網絡和射頻反射網絡進行混頻；射頻反射網絡和本振反射網絡分別將通過黑磷的射頻信號和本振信號反射到混頻單元進行多次混頻。混頻單元包括輸入直流偏置器和輸出流偏置器。輸入直流偏置器和輸出直流偏置器用于提供直流電壓和隔離直流信號和交流信號。直流信號能夠激勵黑磷提混頻效率，從而射頻輸出信號和本征輸入信號經過黑磷后產生更好的中頻信號和高頻信號，并用低通濾波結構濾除高頻信號，從而得到中頻信號。采用本發明的設計的下變頻的混頻器，駐波比低、動態范圍大、變頻損耗低、體積小、易于集成。

技術領域

本發明利用黑磷非線性特性設計一款變頻混頻器，是一種基于直流偏置和反射網絡下的黑磷變頻混頻器及設計方法。

背景技術

黑磷，是一種層狀半導體材料，僅由磷原子組成的層狀晶體，是繼石墨烯發現之后的新型二維材料。近些年由于其較高的電子遷移率和可調帶隙被大量來制作微波毫米波器件。

混頻是指將信號從一個頻率變換到另外一個頻率的過程 ,其實質是頻譜線性搬移的過程 。在超外差接收機中 ,混頻的目的是保證接收機獲得較高的靈敏度 ,足夠的放大量和適當的通頻帶 ,同時又能穩定地工作。

雖然沒有文獻公開報道過關于黑磷微波變頻器的設計，但是黑磷具有很強的非線性特征，如文獻Strong-field nonlinear optical properties of monolayer blackphosphorus和文獻Unusual anisotropic behavior of free-carrier-induced third-harmonic generation in phosphorene at microwave frequencies描述，理論上能來設計黑磷微波變頻器。與傳統的二極管相比，二維材料黑磷具有結構緊湊，重量輕，無封裝效應的優點。經過大量的實驗測試，通過機械剝離法獲得的黑磷晶體并不能滿足實際的指標要求，通過以下方法可以提高黑磷混頻器輸出的轉換損耗。一、通過反射網絡回收沒有用的諧波再一次反射到黑磷重新參與混頻。二、通過加直流電壓在黑磷表面，改變黑磷的非線性特性。通過加反射網絡和直流偏置都會提高混頻器的輸出功率、降低轉換損耗、充分利用射頻功率和本振功率耦合到直通端和耦合端，降低混頻器的駐波比，提高黑磷混頻器的隔離度。

發明內容

本發明的目的在于解決黑磷變頻混頻器的輸出效率問題，提出了直流偏置和反射網絡共同作用于多層黑磷，提高非線性的基于直流偏置和反射網絡下的黑磷下變頻混頻器及設計方法。

為了實現上述目的，本發明提出的技術方案如下：直流偏置和反射網絡下的黑磷混頻器，包括50Ω微帶線、射頻輸入端、本振輸入端、中頻輸出端、反射網絡、黑磷間隙、直流偏置器。其中，微帶線的作用是傳輸信號，輸入端連接射頻信號，本振端連接本振信號，射頻信號和本振信號經過微帶線、本振反射網絡和射頻反射網絡作用與多層黑磷產生諧波分量，在中頻輸出端輸出中頻信號。

反射網絡包括射頻端反射端網絡、本振端反射網絡。

射頻反射網絡是由是四分之一射頻信號波長開路線構成，其作用是對本振信號Fl為匹配狀態，對需回收的信號頻率分量為全反射狀態。

本振端反射網絡是由四分之一本振信號波長開路線構成，其作用是對射頻信號Fr為匹配狀態，對需回收的信號頻率分量為全反射狀態。

中頻輸出端連接低通濾波結構構成、濾除高頻信號，保留有用信號。

低通濾波器由微帶線組成。輸出截至頻率設置高于中頻頻率100M。

直流偏置器包括輸入直流偏置器和輸出直流偏置器。輸入直流偏置器和輸出直流偏執器結構相同，都有電容、電感組成。

外加電流通過輸入直流偏置器、黑磷兩端的微帶線、多層黑磷和輸出直流偏置器形成一條回路。