一种多层二硫化钼倍频器及设计方法

技术领域

本发明利用多层二硫化钼非线性特性设计一款二次倍频器，是一种基于直流偏置下的多层二硫化钼倍频器及设计方法。

背景技术

二维材料如过渡金属二卤化物（TMDs）由于其强非线性而在光电子中发挥重要作用。二硫化钼作为二维材料的一员，是一种新型的具有超薄层状结构的二维半导体材料。二硫化钼不仅具有可控的带隙和特殊的六方晶系结构，而且具有很强的非线性，这引起了电子器件领域的极大兴趣。2017年，Antti Säynätjoki研究了单层二硫化钼和多层二硫化钼的非线性性质。结果表明，单层二硫化钼具有极好的光学非线性：三次谐波比二次谐波强30倍。二硫化钼的非线性特性可用于制造在微波和毫米波器件应用中具有独特优势的器件，例如微波倍频器和混频器。2019年，Yong Fang使用二硫化钼的非线性来制造微波三倍频器。其基于二硫化钼的三倍频器，当输入功率为14dBm，输入频率为0.75-1.1GHz时，三次谐波的最大输出功率为-27.1dBm，最小转换损耗为-41.3dB，但二次谐波效果不佳。在本文中，二硫化钼通过施加直流偏压表现出强非线性。基于这一特性，设计了二硫化钼倍频器。在本文中，使用了二硫化钼的稳定2H半导体态晶体结构。

从以上文献中可以看出，二硫化钼具有很强的非线性，二硫化钼的建模对于基于二硫化钼的非线性器件的仿真非常重要。本文将二硫化钼等效为反向并联二极管对，建立其电子器件模型，仿真结果表明，该模型与测量结果吻合良好，可以通过改变其电压来调节倍频效应。基于该模型，设计了一种由带通滤波器、LC偏置和微带线隙组成的二硫化钼倍频器，通过在二硫化钼两侧施加偏置电压，可以提高二次谐波输出功率，降低三次谐波输出，这对基于该材料的倍频器的发展具有重要意义。所提出的倍频器具有结构紧凑、制造工艺简单的特点，具有发展成为微纳器件的潜力。

倍频电路也是一种线性频率变换电路，倍频器是指利用非线性电路产生高次谐波或者利用频率控制回路都可以构成倍频器。倍频目的是保证获得较高的频率 ,,同时又能稳定地工作。

经过大量的实验测试，通过机械剥离法获得的多层二硫化钼可以满足实际的指标要求，设计了一款直流偏置下的多层二硫化钼倍频器。

发明内容

本发明利用多层二硫化钼在电压激励下产生二次谐波，提出了直流偏置下的二次谐波倍频器及设计方法。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案如下：直流偏置下的多层二硫化钼倍频器，包括微带线、射频输入端、多层二硫化钼间隙、直流偏置器。其中，微带线的作用是传输信号，输入端连接射频信号，射频信号经过微带线作用与多层二硫化钼产生谐波分量，在倍频单元后端输出二次谐波。

带通滤波器由微带线、电容和电感组成。输出通带为800M-1200M。

带通滤波器的功能是排除电源杂散信号的干扰，只允许通过有用信号。

直流偏置器包括输入直流偏置器和输出直流偏置器。输入直流偏置器和输出直流偏执器结构相同，都有电容、电感组成。

外加电流通过输入直流偏置器、多层二硫化钼两端的微带线、多层二硫化钼和输出直流偏置器形成一条回路。

输入直流偏置器的作用是接入直流电源，防止直流电源的电流流向信号源，使电流流向多层二硫化钼。

输出直流偏置器的作用是为了防止电流流向频谱分析仪，起到电路保护的作用。

射频信号由射频输入端接入，信号经过微带线流向多层二硫化钼，直流信号由偏置电路流向多层二硫化钼，在电压激励下，射频信号在非线性材料多层二硫化钼进行倍频。

直流信号经过多层二硫化钼，提高多层二硫化钼的倍频效率，选取最佳的直流电压。然后加入信号进行倍频。

电路的整体连接包括射频信号输入端、阻抗为50Ω的铜质微带线、覆盖多层二硫化钼的微带间隙、直流偏置电路。

根据多次实验结果显示，覆盖多层二硫化钼的微带间隙为0.3-0.35mm时，效果基本相同。

此次发明选取的多层二硫化钼微带间隙为0.32nm来进行设计。

一种基于直流偏置下的多层二硫化钼倍频器的设计方法。

（1）射频输入信号频率为F，输出倍频信号为F0=2F 。

（2）根据射频信号频率设计带通滤波结构，排除信号源的干扰。

（3）利用LC电路设计输入直流偏置和输出直流偏置。

（4）多层二硫化钼的微带间隙为0.32nm

（5）直流偏置下的多层二硫化钼倍频器外接激励信号源信号发生器。信号发生器产生射频信号F。射频信号F通过微带线和带通滤波结构，流向多层二硫化钼参与倍频会产生各种谐波分量。

基于直流偏置多层二硫化钼倍频器设计完成，具体工作如下。

电路所需要的设备包括信号源、电源、频谱仪。

信号源提供射频信号，电源提供直流电流，频谱仪显示倍频效果。

搭建好电路，在射频信号端输入信号F，通过带通滤波结构流向多层二硫化钼。电流从直流电源同样流向二硫化钼。

射频信号激励多层二硫化钼产生谐波信号。

连接直流电源，从0V开始，等间距增加，获得最佳的直流电压。

直流信号由输出直流偏置输入，输出直流偏置回收。

选取最佳的直流电压，然后输入功率从-20dB开始，间隔为1dB,等间距增加，选取最佳的输入功率。

在多层二硫化钼产生的谐波分量，在频谱以上表征出来，输出F0=2F。

与现有的技术相比，本发明的优点在于：电路简单，易于集成，低隔离度，提高了倍频器的效率。

附图说明

图1为本发明电路原理框图；

图2为本发明实施电路图；

图3为本发明的输出频谱图。

图中：1、射频源；2、带通滤波结构3、第一个高频电容4、第二个高频电容5、第三个高频电容6、输入直流偏置结构7、电源8、高质基板9、输出直流偏置结构10、第四个高频电容11、负载12、第一个高频电感13、第五个高频电容14、第二个高频电感15、第三个高频电感16、第四个高频电感17、第五个高频电感。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作出进一步说明。

参见图1和图2，一种基于直流偏置多层二硫化钼倍频器，

包括输入端连接射频信号，输出端连接频谱仪。在端8进行倍频，直流信号由端6输入，端12进行回收。倍频信号由端11输出。

输入直流偏置器6和输出直流偏置器9具有相同的结构，都由相同高频电容和高频电感组成。

输入直流偏置器6经微带线连接在多层二硫化钼的前端，输出直流偏置器9经微带线连接在负载前端。

射频信号由端1输入，直流电压由端7输入。信号经微带线传输到多层二硫化钼，参与倍频。

直流电压由输入直流偏置器6输入，激励多层二硫化钼产生谐波，根据实验，选取最佳的电压。

对经过多层二硫化钼所产生的信号经过端11输出，在频谱读出谐波分量值。

关于带通滤波器，输出设计通带为800M-1200M即可，结构由2组成，LC滤波器结构简单，易设计。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。