專利名稱：基于s-pin二極管的可重構波導混合縫隙天線的制作方法
技術領域：
基于S-PIN 二極管的可重構波導混合縫隙天線技術領域[0001]本實用新型涉及固態(tài)等離子體技術和波導縫隙天線技術，特別是涉及利用固態(tài)等離子體實現(xiàn)方向圖可重構的波導混合縫隙天線。
背景技術：
[0002]波導縫隙天線是通過在金屬波導上開縫制成，開縫形式根據(jù)需要一般有波導寬壁縱縫、波導寬壁傾斜縫隙、波導窄壁傾斜縫隙等?？p隙天線具有輻射效率高、能量漏失少、口徑面利用率高、結構緊湊、安裝方便、強度較高、抗風力強等優(yōu)點，在現(xiàn)代電子工業(yè)中占據(jù)重要位置，被廣泛應用于地面、艦載、機載、導航等各個領域，而且波導縫隙天線已經成為機載雷達天線的優(yōu)選形式。[0003]近年來，為了豐富雷達工作方式，提高雷達的性能，使它能得到更廣泛的應用，在更多新型雷達如三坐標雷達、目標指示雷達、氣象雷達、預警雷達以及機場監(jiān)視雷達中發(fā)揮良好性能，有些學者開始了波導縫隙天線陣列波束賦形的研究。但由于波導縫隙天線缺少相位控制手段，不利于賦形波束的實現(xiàn)。而且現(xiàn)時的波束賦形需要多個波導并排放置，增大了天線體積和成本。如何只用一個波導實現(xiàn)方向圖的動態(tài)改變，成為一個不好解決的難題。[0004]等離子體天線是天線領域的一個重大突破，是對傳統(tǒng)天線的延伸和更新，它拓展了等離子體的工程應用范圍。等離子體獨特的物理性質，在解決天線隱身與互耦方面具有很大的發(fā)展?jié)摿?，已成為研究的熱點。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體器件中，無需像氣態(tài)等離子那樣用介質管包裹，因而有更好的安全性和穩(wěn)定性，可以轉換思想加以利用。實用新型內容[0005]本實用新型的目的在于提供基于S-PIN 二極管的可重構波導混合縫隙天線，利用固態(tài)等離子體實現(xiàn)天線結構動態(tài)改變，輻射特性快速可調，并且可以進行全向掃描的波導混合縫隙天線。[0006]本實用新型的目的通過如下技術方案實現(xiàn)[0007]基于S-PIN 二極管的可重構波導混合縫隙天線，天線的主體是矩形波導，矩形波導的一端用于饋電，另一端設有反射板；在所述矩形波導波導寬壁和波導窄壁上均切割 8-32個縫隙，并在每個縫隙中安裝一個用于控制縫隙等效開啟或等效關閉的S-PIN 二極管；所述控制縫隙等效開啟或等效關閉通過控制S-PIN 二極管的偏置電壓實現(xiàn)；波導寬壁上的縫隙平行于矩形波導的長棱，間隔分布在波導寬壁中線兩邊；波導窄壁上的縫隙為傾斜切割，并切入波導寬壁，但不切至波導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閉，實現(xiàn)天線方向圖全向掃描和全向輻射。[0008]安裝的S-PIN 二極管包括內金屬觸片、外金屬觸片、硼磷硅玻璃、P型半導體塊、N 型半導體塊、本征層、埋氧層和硅襯底；內金屬觸片和外金屬觸片覆在縫隙表面，位于同一平面上，且內金屬觸片位于外金屬觸片里面，內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；內金屬觸片邊緣的下方有一圈所述P型半導體塊，用于提供空穴；外金屬觸片的下方有一圈所述N型半導體塊，用于提供電子；P型和N型半導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；當在內金屬觸片與外金屬觸片之間加上正向偏置電壓后， S-PIN 二極管導通，N型半導體中的弱自由電子將會從原子中分離，形成自由負電荷，P型半導體將產生空穴，而且空穴可以自由遷移；電子與空穴注入到本征層中，當達到濃度足夠大時，將會形成類似金屬的薄層，等效為縫隙關閉；當不加偏置電壓時，S-PIN 二極管不導通， 相當于縫隙中只填充了絕緣介質，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；在掃描的時刻天線的輻射全部由其中一個壁上的縫隙陣列產生，而其余壁上的縫隙全部關閉，使波束具有明顯的指向性，依次開啟相鄰波導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，則將所有的縫隙開啟。[0009]波導窄壁上的各縫隙切割方向與矩形波導長棱的垂直方向的夾角為4° -15°， 且夾角大小互不相同。[0010]內金屬觸片與外金屬觸片的材料為導電性能良好的金屬，厚度為0. 8 -1.5 /0"O[0011]內金屬觸片寬度為200 /° ，長度為14 OW -15 O 。[0012]內金屬觸片與外金屬觸片之間的間隙為50 m -100 ^0b，加在內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 [0013]本征層的材料為純硅，厚度為70譯《 -90聲《。[0014]埋氧層的材料是二氧化硅，厚度為1 m ->, m。[0015]硅襯底的材料為純硅，厚度為300 m -500 m。[0016]內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 可以保護本征層并防止器件受潮。[0017]本實用新型利用直流電壓激發(fā)P型半導體釋放大量空穴，N型半導體釋放大量電子，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，當載流子濃度達到IOui B"3數(shù)量級時，S-PIN二極管就具有良好的金屬導電性能，這樣才能使S-PIN 二極管導通時縫隙處于完全關閉的等效狀態(tài)。為此，本實用新型利用了 SOKSilicon-On-Insulator)結構，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，使載流子無法擴散到硅襯底中，只在很薄的本征層中運動，使得濃度指標容易滿足，并保證濃度分布均勻，減少微波傳播時的耗散。為了兼顧波導縫隙天線的性能，將內外觸片之間的間隙寬度設定為最大值，即載流子的擴散長度，使得縫隙的寬度達到最大，以展寬天線的頻帶。[0018]與現(xiàn)有的技術相比，本實用新型具有以下優(yōu)點和有益效果[0019](1)相對于傳統(tǒng)的只在一個波導壁開縫的波導縫隙天線，本實用新型在波導四個波導壁開縫并安裝S-PIN 二極管，無需改變饋電方式即可實現(xiàn)方向圖可重構的特性。[0020](2)相對于波導縫隙天線陣列，本實用新型只需一個波導即可實現(xiàn)波束的動態(tài)變化，無需復雜的饋電網絡，并減少了體積、降低了成本，并且將波束掃描角度擴展到360°。[0021](3)為新型多功能雷達的天線設計提供了新思路根據(jù)不同的應用場合切換天線的工作方式。例如當雷達用于預警，防止被敵方鎖定時，天線工作于全向天線方式；當雷達用于監(jiān)視、追蹤目標或路徑導航時，天線工作于定向天線方式；當雷達用于偵察、搜索目標時，切換成全向掃描方式。


[0022]圖1為本實用新型基于S-PIN 二極管的可重構波導混合縫隙天線的結構示意圖。[0023]圖2為安裝了 S-PIN 二極管的縫隙俯視圖。[0024]圖3為縫隙中部的剖面圖。
具體實施方式
[0025]
以下結合附圖對本實用新型做進一步詳細說明，但本實用新型的實施方式不限于此。[0026]如圖1所示，可重構波導混合縫隙天線在兩個波導寬壁和兩個波導窄壁上均各切割16個縫隙1。波導寬壁的縫隙平行于矩形波導的長棱，縫隙之間的縱向距離為^^/2，其中如為波導波長。波導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并以一定深度切入波導寬壁。波導的一端用于饋電，另一端加有反射板2，開啟的縫隙陣列工作在駐波形式。[0027]如圖2、圖3所示，縫隙1中包括內金屬觸片3，外金屬觸片4，內外金屬觸片之間的間隙為100師，內金屬觸片的寬度為200 m,使等效的縫隙寬度達到400 m,以滿足帶寬要求。內外金屬觸片之間的電壓由直流穩(wěn)壓電源5提供，電壓從OF -5V連續(xù)可調。內外金屬觸片的間隙由硼磷硅玻璃6填充，厚度為1 ^在內金屬觸片邊緣的下方有一圈P 型半導體塊7，寬度為20 m,在外金屬觸片的下方有一圈Ν型半導體塊8，寬度為20 m。 本征層9是沒有摻雜雜質的純硅，包裹著P型和N型半導體。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，并起支撐作用。[0028]當直流穩(wěn)壓電源5開啟后，N型半導體塊8的弱自由電子將會從原子中分離產生電子，P型半導體塊7在電子被移去的位置產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。當載流子濃度達到Itfli ^T3，等離子體具有足夠的導電率，形成類似金屬的薄層，覆蓋在縫隙表層，等效為縫隙1關閉。當直流穩(wěn)壓電源5關閉后，等離子體馬上消失，由于內金屬觸片3與外金屬觸片4有一定的間隔，而且內金屬觸片3 的厚度很薄，對縫隙1的影響可忽略不計，相當于縫隙1開啟?？筛鶕?jù)實際的應用場合，利用直流穩(wěn)壓電源5對同一波導壁的16個縫隙1同時開啟或關閉，動態(tài)調整方向圖。[0029]當天線工作于全向天線方式，四個波導壁的縫隙1全部開啟。此時四個波導壁的縫隙1均受到波導表面電流的激勵而產生輻射，產生扁平的圓形的方向圖，有較好的不圓5[0030]當天線工作于定向天線方式，只開啟一個波導壁的縫隙1，其余三個波導壁的縫隙 1由于器件表面的等離子體的作用暫時關閉。此時在一個方向產生扁平的扇形波束，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。[0031]當天線用于全向掃描時，根據(jù)需要的掃描頻率控制直流穩(wěn)壓電源5的通斷。先打開一個波導壁的縫隙1，再關閉此波導壁的縫隙1，同時打開相鄰波導壁的縫隙1，如此類推，便能實現(xiàn)方向圖在波導橫切面進行360°全向掃描。[0032]以上所述的具體實施例，對本實用新型的目的、技術方案和有益效果進行了進一步的詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本實用新型的具體實施例而已，并非用以限定本實用新型的范圍。任何本領域的技術人員，在不脫離本實用新型的構思和原則的前提下所做出的等同變化與修改，均屬于本實用新型保護的范圍。
權利要求1.基于S-PIN二極管的可重構波導混合縫隙天線，天線的主體是矩形波導，矩形波導的一端用于饋電，另一端設有反射板；其特征是在所述矩形波導波導寬壁和波導窄壁上均切割8-32個縫隙，并在每個縫隙中安裝一個用于控制縫隙等效開啟或等效關閉的S-PIN二極管；波導寬壁上的縫隙平行于矩形波導的長棱，間隔分布在波導寬壁中線兩邊；波導窄壁上的縫隙為傾斜切割，并切入波導寬壁，但不切至波導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。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于S-PIN二極管的可重構波導混合縫隙天線，其特征在于安裝的S-PIN 二極管包括內金屬觸片、外金屬觸片、硼磷硅玻璃、P型半導體塊、N型半導體塊、本征層、埋氧層和硅襯底；內金屬觸片和外金屬觸片覆在縫隙表面，位于同一平面上，且內金屬觸片位于外金屬觸片里面，內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；內金屬觸片邊緣的下方有一圈所述P型半導體塊，用于提供空穴；外金屬觸片的下方有一圈所述N型半導體塊，用于提供電子；P型和N型半導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。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于S-PIN二極管的可重構波導混合縫隙天線，其特征在于波導窄壁上的各縫隙切割方向與矩形波導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)權利要求2所述的基于S-PIN二極管的可重構波導混合縫隙天線，其特征在于內金屬觸片與外金屬觸片的材料為導電金屬，厚度為0. 8 Pm -1. 5 Pm。
5.根據(jù)權利要求4所述的基于S-PIN二極管的可重構波導混合縫隙天線，其特征在于 內金屬觸片寬度為200 Zsm ,長度為14 CW -15 OH。
6.根據(jù)權利要求2所述的基于S-PIN二極管的可重構波導混合縫隙天線，其特征在于 內金屬觸片與外金屬觸片之間的間隙為50 m -loo /° 。
7.根據(jù)權利要求2所述的基于S-PIN二極管的可重構波導混合縫隙天線，其特征在于 本征層的材料為純硅，厚度為70譯《 -90 / 。
8.根據(jù)權利要求2 7任一項所述的基于S-PIN二極管的可重構波導混合縫隙天線，其特征在于埋氧層的材料是二氧化硅，厚度為I脾3 _
9.根據(jù)權利要求2所述的基于S-PIN二極管的可重構波導混合縫隙天線，其特征在于 硅襯底的材料為純硅，厚度為300卿-500 / 。
專利摘要本實用新型公開了基于S-PIN二極管的可重構波導混合縫隙天線，其主體矩形波導的波導寬壁和波導窄壁上均切割有8-32個縫隙，并在每個縫隙中安裝一個S-PIN二極管；天線工作時，對不需產生輻射的三個波導壁的S-PIN二極管進行正向偏置，形成類似金屬的薄層，使該波導壁上的縫隙全部關閉。天線的輻射由另外一個波導壁上的縫隙陣列產生，能在需要的方向上產生較強輻射。通過控制S-PIN二極管的偏置電壓，使天線實現(xiàn)全向掃描。當所有二極管的偏置電壓全部撤消，則能實現(xiàn)全向輻射。本實用新型的天線掃描波束水平面寬、垂直面窄，輻射效率高，實現(xiàn)了天線方向圖的可重構，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H01Q13/22GK202308320SQ20112044090
公開日2012年7月4日 申請日期2011年11月9日 優(yōu)先權日2011年11月9日
發(fā)明者張家樂, 胡斌杰 申請人:華南理工大學