專利名稱：基于s-pin二極管的可重構(gòu)波導(dǎo)混合縫隙天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及固態(tài)等離子體技術(shù)和波導(dǎo)縫隙天線技術(shù)，特別是涉及利用固態(tài)等離子體實(shí)現(xiàn)方向圖可重構(gòu)的波導(dǎo)混合縫隙天線。
背景技術(shù)：
波導(dǎo)縫隙天線是通過在金屬波導(dǎo)上開縫制成，開縫形式根據(jù)需要一般有波導(dǎo)寬壁縱縫、波導(dǎo)寬壁傾斜縫隙、波導(dǎo)窄壁傾斜縫隙等。縫隙天線具有輻射效率高、能量漏失少、口徑面利用率高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、強(qiáng)度較高、抗風(fēng)力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代電子工業(yè)中占據(jù)重要位置，被廣泛應(yīng)用于地面、艦載、機(jī)載、導(dǎo)航等各個(gè)領(lǐng)域，而且波導(dǎo)縫隙天線已經(jīng)成為機(jī)載雷達(dá)天線的優(yōu)選形式。近年來，為了豐富雷達(dá)工作方式，提高雷達(dá)的性能，使它能得到更廣泛的應(yīng)用，在更多新型雷達(dá)如三坐標(biāo)雷達(dá)、目標(biāo)指示雷達(dá)、氣象雷達(dá)、預(yù)警雷達(dá)以及機(jī)場(chǎng)監(jiān)視雷達(dá)中發(fā)揮良好性能，有些學(xué)者開始了波導(dǎo)縫隙天線陣列波束賦形的研究。但由于波導(dǎo)縫隙天線缺少相位控制手段，不利于賦形波束的實(shí)現(xiàn)。而且現(xiàn)時(shí)的波束賦形需要多個(gè)波導(dǎo)并排放置，增大了天線體積和成本。如何只用一個(gè)波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)方向圖的動(dòng)態(tài)改變，成為一個(gè)不好解決的難題。等離子體天線是天線領(lǐng)域的一個(gè)重大突破，是對(duì)傳統(tǒng)天線的延伸和更新，它拓展了等離子體的工程應(yīng)用范圍。等離子體獨(dú)特的物理性質(zhì)，在解決天線隱身與互耦方面具有很大的發(fā)展?jié)摿Γ殉蔀檠芯康臒狳c(diǎn)。但目前絕大多數(shù)的研究只限于氣態(tài)等離子體天線，而對(duì)固態(tài)等離子體天線的研究幾乎還是空白。這是由于固態(tài)等離子體不容易大面積、高濃度地激發(fā)，很難像氣態(tài)等離子體那樣直接用作天線輻射體。固態(tài)等離子體一般存在于物理半導(dǎo)體器件中，無需像氣態(tài)等離子那樣用介質(zhì)管包裹，因而有更好的安全性和穩(wěn)定性，可以轉(zhuǎn)換思想加以利用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供基于S-PIN 二極管的可重構(gòu)波導(dǎo)混合縫隙天線，利用固態(tài)等離子體實(shí)現(xiàn)天線結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)改變，輻射特性快速可調(diào)，并且可以進(jìn)行全向掃描的波導(dǎo)混合縫隙天線。本發(fā)明的目的通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)
基于S-PIN 二極管的可重構(gòu)波導(dǎo)混合縫隙天線，天線的主體是矩形波導(dǎo)，矩形波導(dǎo)的一端用于饋電，另一端設(shè)有反射板；在所述矩形波導(dǎo)波導(dǎo)寬壁和波導(dǎo)窄壁上均切割 8-32個(gè)縫隙，并在每個(gè)縫隙中安裝一個(gè)用于控制縫隙等效開啟或等效關(guān)閉的S-PIN 二極管；所述控制縫隙等效開啟或等效關(guān)閉通過控制S-PIN 二極管的偏置電壓實(shí)現(xiàn)；波導(dǎo)寬壁上的縫隙平行于矩形波導(dǎo)的長棱，間隔分布在波導(dǎo)寬壁中線兩邊；波導(dǎo)窄壁上的縫隙為傾斜切割，并切入波導(dǎo)寬壁，但不切至波導(dǎo)寬壁上的縫隙所在位置，切割方向與長棱的垂直方向有夾角。本發(fā)明通過S-PIN 二極管控制縫隙等效開啟或關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)天線方向圖全向掃描和全向輻射安裝的S-PIN 二極管包括內(nèi)金屬觸片、外金屬觸片、硼磷硅玻璃、P型半導(dǎo)體塊、N型半導(dǎo)體塊、本征層、埋氧層和硅襯底；內(nèi)金屬觸片和外金屬觸片覆在縫隙表面，位于同一平面上，且內(nèi)金屬觸片位于外金屬觸片里面，內(nèi)金屬觸片和外金屬觸片之間有間隙，間隙中填充了硼磷硅玻璃；內(nèi)金屬觸片邊緣的下方有一圈所述P型半導(dǎo)體塊，用于提供空穴；外金屬觸片的下方有一圈所述N型半導(dǎo)體塊，用于提供電子；P型和N型半導(dǎo)體塊除頂面以外都被所述本征層包裹著；本征層下面緊貼著一層很薄的所述埋氧層；埋氧層下面緊貼著所述硅襯底，硅襯底處于縫隙的底部；當(dāng)在內(nèi)金屬觸片與外金屬觸片之間加上正向偏置電壓后， S-PIN 二極管導(dǎo)通，N型半導(dǎo)體中的弱自由電子將會(huì)從原子中分離，形成自由負(fù)電荷，P型半導(dǎo)體將產(chǎn)生空穴，而且空穴可以自由遷移；電子與空穴注入到本征層中，當(dāng)達(dá)到濃度足夠大時(shí)，將會(huì)形成類似金屬的薄層，等效為縫隙關(guān)閉；當(dāng)不加偏置電壓時(shí)，S-PIN 二極管不導(dǎo)通， 相當(dāng)于縫隙中只填充了絕緣介質(zhì)，等效為縫隙開啟；所有開啟的縫隙組成的陣列工作在駐波形式；在掃描的時(shí)刻天線的輻射全部由其中一個(gè)壁上的縫隙陣列產(chǎn)生，而其余壁上的縫隙全部關(guān)閉，使波束具有明顯的指向性，依次開啟相鄰波導(dǎo)寬壁與窄壁上的縫隙，不斷循環(huán)便可形成掃描波束；在全向輻射時(shí)，則將所有的縫隙開啟。波導(dǎo)窄壁上的各縫隙切割方向與矩形波導(dǎo)長棱的垂直方向的夾角為4° -15°， 且夾角大小互不相同。內(nèi)金屬觸片與外金屬觸片的材料為導(dǎo)電性能良好的金屬，厚度為0. 8 -1.5 /0"O內(nèi)金屬觸片寬度為200 /° ，長度為14 ο -15 。內(nèi)金屬觸片與外金屬觸片之間的間隙為50 m -100 ^0b，加在內(nèi)外金屬觸片之間的偏置電壓為直流穩(wěn)壓，電壓值為2. ο V ~'λ V 本征層的材料為純硅，厚度為70譯《 -90岸·。埋氧層的材料是二氧化硅，厚度為1 m ->, m。硅襯底的材料為純硅，厚度為300 m -500 _。內(nèi)外金屬觸片之間的間隙填充有硼磷硅玻璃，這是一種摻硼的二氧化硅玻璃，厚度為1 可以保護(hù)本征層并防止器件受潮。本發(fā)明利用直流電壓激發(fā)P型半導(dǎo)體釋放大量空穴，N型半導(dǎo)體釋放大量電子，這些載流子注入到本征層中，形成等離子體薄層。但要使等離子體薄層具有良好的金屬特性， 必須有足夠高的載流子濃度。已證明，當(dāng)載流子濃度達(dá)到IOia cm-5數(shù)量級(jí)時(shí)，S-PIN 二極管就具有良好的金屬導(dǎo)電性能，這樣才能使S-PIN 二極管導(dǎo)通時(shí)縫隙處于完全關(guān)閉的等效狀態(tài)。為此，本發(fā)明利用了 SOKSilicon-On-Insulator)結(jié)構(gòu)，在硅襯底和本征層之間加入了埋氧層，這與現(xiàn)有硅工藝兼容，可減少13-20%的工序。加入了埋氧層，且埋氧層與觸片之間的距離為趨膚深度的2-3倍，使載流子無法擴(kuò)散到硅襯底中，只在很薄的本征層中運(yùn)動(dòng)，使得濃度指標(biāo)容易滿足，并保證濃度分布均勻，減少微波傳播時(shí)的耗散。為了兼顧波導(dǎo)縫隙天線的性能，將內(nèi)外觸片之間的間隙寬度設(shè)定為最大值，即載流子的擴(kuò)散長度，使得縫隙的寬度達(dá)到最大，以展寬天線的頻帶。與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果
(1)相對(duì)于傳統(tǒng)的只在一個(gè)波導(dǎo)壁開縫的波導(dǎo)縫隙天線，本發(fā)明在波導(dǎo)四個(gè)波導(dǎo)壁開縫并安裝S-PIN 二極管，無需改變饋電方式即可實(shí)現(xiàn)方向圖可重構(gòu)的特性。(2)相對(duì)于波導(dǎo)縫隙天線陣列，本發(fā)明只需一個(gè)波導(dǎo)即可實(shí)現(xiàn)波束的動(dòng)態(tài)變化，無需復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)，并減少了體積、降低了成本，并且將波束掃描角度擴(kuò)展到360°。(3)為新型多功能雷達(dá)的天線設(shè)計(jì)提供了新思路根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合切換天線的工作方式。例如當(dāng)雷達(dá)用于預(yù)警，防止被敵方鎖定時(shí)，天線工作于全向天線方式；當(dāng)雷達(dá)用于監(jiān)視、追蹤目標(biāo)或路徑導(dǎo)航時(shí)，天線工作于定向天線方式；當(dāng)雷達(dá)用于偵察、搜索目標(biāo)時(shí)，切換成全向掃描方式。


圖1為本發(fā)明基于S-PIN 二極管的可重構(gòu)波導(dǎo)混合縫隙天線的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為安裝了 S-PIN 二極管的縫隙俯視圖。圖3為縫隙中部的剖面圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。如圖1所示，可重構(gòu)波導(dǎo)混合縫隙天線在兩個(gè)波導(dǎo)寬壁和兩個(gè)波導(dǎo)窄壁上均各切割16個(gè)縫隙1。波導(dǎo)寬壁的縫隙平行于矩形波導(dǎo)的長棱，縫隙之間的縱向距離為^^/2，其中如為波導(dǎo)波長。波導(dǎo)窄壁的切割方向與長棱的垂直方向有夾角(各夾角大小不同，范圍為4-15° )，縫隙中心之間的距離也為le/2，并以一定深度切入波導(dǎo)寬壁。波導(dǎo)的一端用于饋電，另一端加有反射板2，開啟的縫隙陣列工作在駐波形式。如圖2、圖3所示，縫隙1中包括內(nèi)金屬觸片3，外金屬觸片4，內(nèi)外金屬觸片之間的間隙為100 m，內(nèi)金屬觸片的寬度為200 m,使等效的縫隙寬度達(dá)到400 m,以滿足帶寬要求。內(nèi)外金屬觸片之間的電壓由直流穩(wěn)壓電源5提供，電壓及 r -5V連續(xù)可調(diào)。內(nèi)外金屬觸片的間隙由硼磷硅玻璃6填充，厚度為1 /"。在內(nèi)金屬觸片邊緣的下方有一圈P 型半導(dǎo)體塊7，寬度為20 m,在外金屬觸片的下方有一圈N型半導(dǎo)體塊8，寬度為20 m。 本征層9是沒有摻雜雜質(zhì)的純硅，包裹著P型和N型半導(dǎo)體。本征層下方是埋氧層10，可用二氧化硅制成，用于防止載流子向下方擴(kuò)散，維持載流子的濃度。埋氧層下方是硅襯底11， 可以看作是一層絕緣的電介質(zhì)，并起支撐作用。當(dāng)直流穩(wěn)壓電源5開啟后，N型半導(dǎo)體塊8的弱自由電子將會(huì)從原子中分離產(chǎn)生電子，P型半導(dǎo)體塊7在電子被移去的位置產(chǎn)生可自由遷移的空穴。由于埋氧層10的限制， 電子與空穴只能注入到本征層9中。當(dāng)載流子濃度達(dá)到1爐《 __3，等離子體具有足夠的導(dǎo)電率，形成類似金屬的薄層，覆蓋在縫隙表層，等效為縫隙1關(guān)閉。當(dāng)直流穩(wěn)壓電源5關(guān)閉后，等離子體馬上消失，由于內(nèi)金屬觸片3與外金屬觸片4有一定的間隔，而且內(nèi)金屬觸片3 的厚度很薄，對(duì)縫隙1的影響可忽略不計(jì)，相當(dāng)于縫隙1開啟?？筛鶕?jù)實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)合，利用直流穩(wěn)壓電源5對(duì)同一波導(dǎo)壁的16個(gè)縫隙1同時(shí)開啟或關(guān)閉，動(dòng)態(tài)調(diào)整方向圖。當(dāng)天線工作于全向天線方式，四個(gè)波導(dǎo)壁的縫隙1全部開啟。此時(shí)四個(gè)波導(dǎo)壁的縫隙1均受到波導(dǎo)表面電流的激勵(lì)而產(chǎn)生輻射，產(chǎn)生扁平的圓形的方向圖，有較好的不圓度。
當(dāng)天線工作于定向天線方式，只開啟一個(gè)波導(dǎo)壁的縫隙1，其余三個(gè)波導(dǎo)壁的縫隙 1由于器件表面的等離子體的作用暫時(shí)關(guān)閉。此時(shí)在一個(gè)方向產(chǎn)生扁平的扇形波束，輻射方向圖具有明顯的指向性，并具有較高的增益和前后比。當(dāng)天線用于全向掃描時(shí)，根據(jù)需要的掃描頻率控制直流穩(wěn)壓電源5的通斷。先打開一個(gè)波導(dǎo)壁的縫隙1，再關(guān)閉此波導(dǎo)壁的縫隙1，同時(shí)打開相鄰波導(dǎo)壁的縫隙1，如此類推，便能實(shí)現(xiàn)方向圖在波導(dǎo)橫切面進(jìn)行360°全向掃描。以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步的詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并非用以限定本發(fā)明的范圍。任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的構(gòu)思和原則的前提下所做出的等同變化與修改，均屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1.基于S-PIN二極管的可重構(gòu)波導(dǎo)混合縫隙天線，天線的主體是矩形波導(dǎo)，矩形波導(dǎo)的一端用于饋電，另一端設(shè)有反射板；其特征是在所述矩形波導(dǎo)波導(dǎo)寬壁和波導(dǎo)窄壁上均切割8-32個(gè)縫隙，并在每個(gè)縫隙中安裝一個(gè)用于控制縫隙等效開啟或等效關(guān)閉的S-PIN二極管；所述控制縫隙等效開啟或等效關(guān)閉通過控制S-PIN 二極管的偏置電壓實(shí)現(xiàn)；波導(dǎo)寬壁上的縫隙平行于矩形波導(dǎo)的長棱，間隔分布在波導(dǎo)寬壁中線兩邊；波導(dǎo)窄壁上的縫隙為傾斜切割，并切入波導(dǎo)寬壁，但不切至波導(dǎo)寬壁上的縫隙所在位置，切割方向與長棱的垂直方向有夾角，通過S-PIN 二極管控制縫隙等效開啟或關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)天線方向圖全向掃描和全向輻射。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于S-PIN二極管的可重構(gòu)波導(dǎo)混合縫隙天線，其特征在于安裝的S-PIN 二極管包括內(nèi)金屬觸片、外金屬觸片、硼磷硅玻璃、P型半導(dǎo)體塊、N型半導(dǎo)體塊、本征層、埋氧層和硅襯底；內(nèi)金屬觸片和外金屬觸片覆在縫隙表面，位于同一平面上，且內(nèi)金屬觸片位于外金屬觸片里面，內(nèi)金屬觸片和外金屬觸片之間有間隙，間隙中填充了硼磷硅玻璃；內(nèi)金屬觸片邊緣的下方有一圈所述P型半導(dǎo)體塊，用于提供空穴；外金屬觸片的下方有一圈所述N型半導(dǎo)體塊，用于提供電子；P型和N型半導(dǎo)體塊除頂面以外都被所述本征層包裹著；本征層下面緊貼著一層很薄的所述埋氧層；埋氧層下面緊貼著所述硅襯底， 硅襯底處于縫隙的底部；當(dāng)在內(nèi)金屬觸片與外金屬觸片之間加上正向偏置電壓后，S-PIN 二極管導(dǎo)通，N型半導(dǎo)體中的弱自由電子將會(huì)從原子中分離，形成自由負(fù)電荷，P型半導(dǎo)體將產(chǎn)生空穴，而且空穴可以自由遷移；電子與空穴注入到本征層中，當(dāng)達(dá)到濃度足夠大時(shí)， 將會(huì)形成類似金屬的薄層，等效為縫隙關(guān)閉；當(dāng)不加偏置電壓時(shí)，S-PIN 二極管不導(dǎo)通，相當(dāng)于縫隙中只填充了絕緣介質(zhì)，等效為縫隙開啟；所有開啟的縫隙組成的陣列工作在駐波形式；在掃描的時(shí)刻天線的輻射全部由其中一個(gè)壁上的縫隙陣列產(chǎn)生，而其余壁上的縫隙全部關(guān)閉，使波束具有明顯的指向性，依次開啟相鄰波導(dǎo)寬壁與窄壁上的縫隙，不斷循環(huán)便可形成掃描波束；在全向輻射時(shí)，則將所有的縫隙開啟。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于S-PIN二極管的可重構(gòu)波導(dǎo)混合縫隙天線，其特征在于波導(dǎo)窄壁上的各縫隙切割方向與矩形波導(dǎo)長棱的垂直方向的夾角為4° -15°，且夾角大小互不相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于S-PIN二極管的可重構(gòu)波導(dǎo)混合縫隙天線，其特征在于內(nèi)金屬觸片與外金屬觸片的材料為導(dǎo)電金屬，厚度為0. 8 Z0w -1. 5 。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于S-PIN二極管的可重構(gòu)波導(dǎo)混合縫隙天線，其特征在于 內(nèi)金屬觸片寬度為200 Pm ,長度為14 on -15 。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于S-PIN二極管的可重構(gòu)波導(dǎo)混合縫隙天線，其特征在于 內(nèi)金屬觸片與外金屬觸片之間的間隙為50 _ -100 —。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于S-PIN二極管的可重構(gòu)波導(dǎo)混合縫隙天線，其特征在于 加在內(nèi)外金屬觸片之間的偏置電壓為直流穩(wěn)壓，電壓值為2. 5 F -3 F。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于S-PIN二極管的可重構(gòu)波導(dǎo)混合縫隙天線，其特征在于 本征層的材料為純硅，厚度為70 -90 / 。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于S-PIN二極管的可重構(gòu)波導(dǎo)混合縫隙天線，其特征在于埋氧層的材料是二氧化硅，厚度為2 -3 / 。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于S-PIN 二極管的可重構(gòu)波導(dǎo)混合縫隙天線，其特征在于硅襯底的材料為純硅，厚度為300 _ -500 /""。
全文摘要
本發(fā)明公開了基于S-PIN二極管的可重構(gòu)波導(dǎo)混合縫隙天線。此天線的主體矩形波導(dǎo)的波導(dǎo)寬壁和波導(dǎo)窄壁上均切割有8-32個(gè)縫隙，并在每個(gè)縫隙中安裝一個(gè)S-PIN二極管；天線工作時(shí)，對(duì)不需產(chǎn)生輻射的三個(gè)波導(dǎo)壁的S-PIN二極管進(jìn)行正向偏置，形成類似金屬的薄層，使該波導(dǎo)壁上的縫隙全部關(guān)閉。天線的輻射由另外一個(gè)波導(dǎo)壁上的縫隙陣列產(chǎn)生，能在需要的方向上產(chǎn)生較強(qiáng)輻射。通過控制S-PIN二極管的偏置電壓，使天線實(shí)現(xiàn)全向掃描。當(dāng)所有二極管的偏置電壓全部撤消，則能實(shí)現(xiàn)全向輻射。本發(fā)明的天線掃描波束水平面寬、垂直面窄，輻射效率高，實(shí)現(xiàn)了天線方向圖的可重構(gòu)，并且能在全向輻射、定向輻射、全向掃描等工作模式中自由切換。
文檔編號(hào)H01Q13/22GK102403573SQ20111035201
公開日2012年4月4日 申請(qǐng)日期2011年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月9日
發(fā)明者張家樂, 胡斌杰 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)