專利名稱：基于s-pin二極管的方向圖可重構(gòu)圓盤型微帶天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及固態(tài)等離子體技術(shù)和微帶天線技術(shù)，特別是涉及利用固態(tài)等離子體技術(shù)實(shí)現(xiàn)方向圖可重構(gòu)的微帶天線。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代大容量、多功能、超寬帶綜合信息系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，使得在同一平臺(tái)上搭載的信息子系統(tǒng)數(shù)量増加。天線作為無(wú)線系統(tǒng)中信息出入的通道，其數(shù)量也相應(yīng)地增加?？芍貥?gòu)天線技術(shù)使天線能根據(jù)實(shí)際環(huán)境需要實(shí)時(shí)重構(gòu)天線特性，具有降低綜合信息系統(tǒng)的整體成本、減輕重量、減小系統(tǒng)的雷達(dá)散射截面、實(shí)現(xiàn)良好的電磁兼容特性等優(yōu)勢(shì)。其中，方向圖可重構(gòu)天線可以使天線方向圖動(dòng)態(tài)調(diào)整，能夠滿足智能武器尋的、汽車和飛機(jī)雷達(dá)、無(wú)線和衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)以及空間遙感等要求，有廣泛的應(yīng)用前景。目前在方向圖可重構(gòu)方面的研究 大多仍然基于傳統(tǒng)的相控陣天線理論。本發(fā)明利用微帶天線實(shí)現(xiàn)了方向圖可重構(gòu)，使方向圖能進(jìn)行全向掃描。微帶天線是指介質(zhì)基片上，一面覆蓋金屬薄層作為接地板，另一面用光刻腐蝕方法制成一定形狀的金屬貼片，利用微帶線或同軸探針對(duì)貼片饋電形成的天線。微帶天線因其重量輕，體積小，低剖面等諸多優(yōu)點(diǎn)而成為多種天線之中比較實(shí)用的ー種。等離子體獨(dú)特的物理性質(zhì)，在解決天線隱身、互耦、帶寬方面具有很大的發(fā)展?jié)摿Γ虼穗x子體天線成為天線領(lǐng)域的研究的熱點(diǎn)。而目前絕大多數(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。固態(tài)等離子體一般存在于物理半導(dǎo)體器件中，無(wú)需像氣態(tài)等離子那樣用介質(zhì)管包裏，因而有更好的安全性和穩(wěn)定性。雖然它很難被大面積、高濃度地激發(fā)，但可以轉(zhuǎn)換思想加以利用。本發(fā)明利用S-PINニ極管工作時(shí)激發(fā)的固態(tài)等離子使其成為性能良好的射頻開(kāi)關(guān)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供基于S-PIN ニ極管的方向圖可重構(gòu)圓盤型微帶天線，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)行全向掃描的微帶天線。本發(fā)明的目的通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)
基于S-PIN ニ極管的方向圖可重構(gòu)圓盤型微帶天線，包括基板、接地板與圓形貼片，其特征是在圓形貼片邊緣均勻間隔安裝4飛個(gè)S-PIN ニ極管，每個(gè)S-PIN ニ極管的P型端與圓形貼片邊緣連接；N型端通過(guò)長(zhǎng)方形微帶線與扇形寄生貼片連接且N型端的寬度與長(zhǎng)方形微帶線寬度一致；所述扇形寄生貼片各開(kāi)有ー個(gè)U形槽；通過(guò)控制所述S-PIN ニ極管的偏置電壓使S-PINニ極管導(dǎo)通或斷開(kāi)；順次使相鄰的S-PINニ極管導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)天線方向圖的全向掃描。所述U形槽由第一條形槽、第二條形槽、第三條形槽、第四條形槽和第五條形槽順次連接組成，U形槽關(guān)于第三條形槽的中垂線對(duì)稱，其中第一條形槽與第五條形槽分別與第三條形槽垂直，第二條形槽、第四條形槽與第三條形槽的夾角相等，為110° ^120 °，U形槽的開(kāi)ロ朝向圓形貼片。S-PIN ニ極管包括第一金屬觸片、第二金屬觸片、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；第一金屬觸片與第二金屬觸片之間有間隙，間隙中填充了硼磷硅玻璃；第一金屬觸片的下方與所述P型半導(dǎo) 體塊連接，用于提供空穴；第二金屬觸片的下方與所述N型半導(dǎo)體塊連接，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所述埋氧層；埋氧層下面緊貼著所述硅襯底，娃襯底處于S-PIN ニ極管的底部；當(dāng)在第一金屬觸片與第二金屬觸片之間加上正向偏置電壓后，S-PIN ニ極管導(dǎo)通，當(dāng)不加偏置電壓吋，S-PIN ニ極管斷開(kāi)。第一金屬觸片與第ニ金屬觸片的厚度為0. 8 u m-1. 5iim,兩金屬觸片之間的間隙為50 y m_100 y m。加在兩金屬觸片之間的偏置電壓為直流穩(wěn)壓，電壓值為2. 5V-3V。本征層的材料為純硅，厚度為70 u m-90 u m。埋氧層的材料是ニ氧化硅，厚度為2 y m_3 y m。硅襯底的材料為純硅，厚度為200 u m-400 u m。第一金屬觸片、第二金屬觸片之間的間隙填充的硼磷娃玻璃是ー種摻硼的ニ氧化硅玻璃，厚度為I U m-2 ii m。S-PIN ニ極管具有納秒級(jí)(如IOns-IOOns)的開(kāi)關(guān)速度，便于天線方向圖的快速動(dòng)態(tài)調(diào)整。S-PIN ニ極管的寬度可以在較大范圍內(nèi)調(diào)整，本發(fā)明中，S-PIN ニ極管的寬度須與長(zhǎng)方形微帶線寬度一致，保證了方向圖能夠隨S-PIN ニ極管導(dǎo)通而產(chǎn)生明顯偏轉(zhuǎn)。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，空穴和電子統(tǒng)稱固態(tài)等離子。這些等離子注入到本征層中，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，必須有足夠高的等離子濃度。已證明，當(dāng)?shù)入x子濃度達(dá)到IO18CnT3數(shù)量級(jí)時(shí)，S-PIN ニ極管就具有良好的金屬導(dǎo)電性能，這樣才能使S-PIN ニ極管導(dǎo)通時(shí)具有低的插入損耗。為此，利用SOI (Silicon-On-Insulator)結(jié)構(gòu),在娃襯底和本征層之間加入了埋氧層，這與現(xiàn)有硅エ藝兼容，可減少13-20%的エ序。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(wú)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。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
(I)目前在方向圖可重構(gòu)方面的研究大多仍然基于傳統(tǒng)的相控陣天線理論。相控陣天線需要多個(gè)輻射単元同時(shí)工作，而且饋電網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，體積大、成本高，本發(fā)明采用微帶天線，體積小，加工簡(jiǎn)單，并且波束可控范圍較大，可實(shí)現(xiàn)全向掃描。(2)本發(fā)明的工作頻率在5. 64GHZ-5. 93GHz，覆蓋了 802. Ilg(WLAN)的工作頻段5. 825GHz-5. 875GHz與802. Ilp (車聯(lián)網(wǎng))的工作頻段5. 86GHz_5. 925 GHz，可用于這兩種局域網(wǎng)的目標(biāo)追蹤與掃描等場(chǎng)景。


圖I為本發(fā)明基于S-PINニ極管的方向圖可重構(gòu)圓盤型微帶天線的正面示意圖。圖2為本發(fā)明基于S-PINニ極管的方向圖可重構(gòu)圓盤型微帶天線的剖面示意圖。圖3為S-PIN ニ極管的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)ー步詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施方式和保護(hù)不限于此。如圖I、圖2所示，方向圖可重構(gòu)圓盤型微帶天線采用同軸饋電方式，主體包括圓形基板1，接地板2，同軸探針3直接連接圓形貼片4進(jìn)行饋電。圓形貼片4邊緣均勻安裝6個(gè)S-PIN ニ極管5，每個(gè)S-PIN ニ極管的P型端與圓形貼片邊緣連接；N型端通過(guò)長(zhǎng)方形的微帶線6與扇形寄生貼片連接且N型端的寬度與長(zhǎng)方形微帶線寬度一致；所述扇形寄生貼片各開(kāi)有ー個(gè)U形槽；當(dāng)S-PIN ニ極管加上正向偏置電壓吋，S-PIN ニ極管導(dǎo)通，不加電壓時(shí)，S-PIN ニ極管斷開(kāi)。通過(guò)控制各S-PIN ニ極管的通斷狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)天線方向圖的高速全向掃描。如圖1，所述U形槽由第一條形槽、第二條形槽、第三條形槽、第四條形槽和第五條 形槽順次連接組成，U形槽關(guān)于第三條形槽的中垂線對(duì)稱，其中第一條形槽與第五條形槽分別與第三條形槽垂直，第二條形槽、第四條形槽與第三條形槽的夾角相等，為110° ^120°，U形槽的開(kāi)ロ朝向圓形貼片。S-PIN ニ極管包括第一金屬觸片9、第二金屬觸片10、硼磷硅玻璃11、P型半導(dǎo)體塊12、N型半導(dǎo)體塊13、本征層14、埋氧層15和娃襯底16 ;第一金屬觸片與第二金屬觸片之間有間隙，間隙中填充了硼磷硅玻璃；第一金屬觸片的下方與所述P型半導(dǎo)體塊連接，用于提供空穴；第二金屬觸片的下方與所述N型半導(dǎo)體塊連接，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所述埋氧層；埋氧層下面緊貼著所述娃襯底，娃襯底處于S-PIN ニ極管的底部；當(dāng)在第一金屬觸片與第二金屬觸片之間加上正向偏置電壓后，S-PIN ニ極管導(dǎo)通，當(dāng)不加偏置電壓時(shí)，S-PIN ニ極管斷開(kāi)。姆相鄰兩個(gè)扇形寄生貼片7之間由矩形縫隙隔開(kāi)。作為實(shí)例，其中圓形基板I的半徑為25_，厚度為3. 2mm,圓形貼片4的半徑為5mm,扇形貼片7之間的縫隙寬1mm。扇形寄生貼片7開(kāi)有ー個(gè)特殊U形槽8，它由5段組成，關(guān)于a段的中垂線對(duì)稱，其中a段長(zhǎng)5mm，b段長(zhǎng)4. 8mm, c段長(zhǎng)4mm，經(jīng)仿真，工作頻率在5. 64GHz-5. 93GHz。通過(guò)控制S-PIN ニ極管5的通斷狀態(tài)，使圓形貼片I連接到其中ー個(gè)寄生貼片7，天線表面電流便流向該貼片，方向圖即向該方向偏轉(zhuǎn)。如果依次使相鄰的S-PIN ニ極管5導(dǎo)通，可實(shí)現(xiàn)方向圖的全向掃描。如圖3所不，S-PIN ニ極管5包括第一金屬觸片9,第二金屬觸片10,兩金屬觸片之間的間隙為100 iim。兩金屬觸片的間隙由硼磷娃玻璃11填充，厚度為I y m。第一金屬觸片9的下方有P型半導(dǎo)體塊12，第二金屬觸片10的下方有N型半導(dǎo)體塊13。本征層14是沒(méi)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15，可用ニ氧化硅制成，用于防止載流子向下方擴(kuò)散，維持載流子的濃度。埋氧層15下方是硅襯底16，可以看作是ー層絕緣的電介質(zhì)，并起支撐作用。當(dāng)兩金屬觸片之間加上正向電壓時(shí)，N型半導(dǎo)體塊13的會(huì)產(chǎn)生大量自由電子，P型半導(dǎo)體塊12則產(chǎn)生大量空穴。由于埋氧層15的阻隔，電子與空穴只能注入到本征層14中。當(dāng)載流子濃度達(dá)到1018cm_3，等離子體具有足夠的導(dǎo)電率，形成類似金屬的薄層，S-PINニ極管5導(dǎo)通。當(dāng)不加電壓，S-PIN ニ極管5斷開(kāi)。天線可以用于全向掃描，根據(jù)需要的掃描頻率控制電源的通斷。先導(dǎo)通ー個(gè)S-PINニ極管5，再斷開(kāi)此ニ極管，同時(shí)導(dǎo)通相鄰的S-PIN ニ極管5，如此類推，便能實(shí)現(xiàn)方向圖的全向掃描。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)ー步的詳細(xì)說(shuō)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二極管的方向圖可重構(gòu)圓盤型微帶天線，包括基板、接地板與圓形貼片，其特征是在圓形貼片邊緣均勻間隔安裝4飛個(gè)S-PIN 二極管，每個(gè)S-PIN 二極管的P型端與圓形貼片邊緣連接；N型端通過(guò)長(zhǎng)方形微帶線與扇形寄生貼片連接且N型端的寬度與長(zhǎng)方形微帶線寬度一致；所述扇形寄生貼片各開(kāi)有一個(gè)U形槽；通過(guò)控制所述S-PIN 二極管的偏置電壓使S-PIN二極管導(dǎo)通或斷開(kāi)；順次使相鄰的S-PIN二極管導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)天線方向圖的全向掃描。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于S-PIN二極管的方向圖可重構(gòu)圓盤型微帶天線，其特征在于所述U形槽由第一條形槽、第二條形槽、第三條形槽、第四條形槽和第五條形槽順次連接組成，U形槽關(guān)于第三條形槽的中垂線對(duì)稱，其中第一條形槽與第五條形槽分別與第三條形槽垂直，第二條形槽、第四條形槽與第三條形槽的夾角相等，為110° ^120 °，U形槽的開(kāi)口朝向圓形貼片。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于S-PIN二極管的方向圖可重構(gòu)圓盤型微帶天線，其特征在于安裝的S-PIN 二極管包括第一金屬觸片、第二金屬觸片、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；第一金屬觸片與第二金屬觸片之間有間隙，間隙中填充了硼磷硅玻璃；第一金屬觸片的下方與所述P型半導(dǎo)體塊連接，用于提供空穴；第二金屬觸片的下方與所述N型半導(dǎo)體塊連接，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所述埋氧層；埋氧層下面緊貼著所述硅襯底，娃襯底處于S-PIN 二極管的底部；當(dāng)在第一金屬觸片與第二金屬觸片之間加上正向偏置電壓后，S-PIN 二極管導(dǎo)通，當(dāng)不加偏置電壓時(shí)，S-PIN 二極管斷開(kāi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于S-PIN二極管的方向圖可重構(gòu)圓盤型微帶天線，其特征在于第一金屬觸片與第二金屬觸片的厚度為0. 8 ii m-1. 5 u mo
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于S-PIN二極管的方向圖可重構(gòu)圓盤型微帶天線，其特征在于第一金屬觸片與第二金屬觸片之間的間隙為50 ii m-100 ii m。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于S-PIN二極管的方向圖可重構(gòu)圓盤型微帶天線，其特征在于加在兩金屬觸片之間的偏置電壓為直流穩(wěn)壓，電壓值為2. 5V-3V。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于S-PIN二極管的方向圖可重構(gòu)圓盤型微帶天線，其特征在于本征層的材料為純娃，厚度為70 V- m-90 V- m。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于S-PIN二極管的方向圖可重構(gòu)圓盤型微帶天線，其特征在于埋氧層的材料是二氧化硅，厚度為2 ii m-3 ii m。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于S-PIN二極管的方向圖可重構(gòu)圓盤型微帶天線，其特征在于硅襯底的材料為純硅，厚度為200 u m-400 u m。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于S-PIN二極管的方向圖可重構(gòu)圓盤型微帶天線，其特征在于第一金屬觸片、第二金屬觸片之間的間隙填充的硼磷娃玻璃是一種摻硼的二氧化娃玻璃，厚度為I y m-2 u m。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了基于S-PIN二極管的方向圖可重構(gòu)圓盤型微帶天線，包括產(chǎn)生主輻射的圓形貼片，帶有特殊U形槽的六個(gè)扇形寄生貼片，圓形貼片與各寄生貼片之間安裝一個(gè)S-PIN二極管，通過(guò)各S-PIN二極管的偏置電壓控制其通斷狀態(tài)。天線工作時(shí)，探針連接圓形貼片直接饋電，通過(guò)S-PIN二極管連接其中一個(gè)寄生貼片，使表面電流流向該貼片，方向圖即向該方向偏轉(zhuǎn)。依次導(dǎo)通相鄰的S-PIN二極管，可實(shí)現(xiàn)方向圖的全向掃描。本發(fā)明天線體積小、易于集成，并且工作在802.11g與802.11p頻段，應(yīng)用場(chǎng)合廣，能實(shí)現(xiàn)方向圖的全向掃描，具有良好的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)H01Q13/08GK102956993SQ201210456399
公開(kāi)日2013年3月6日 申請(qǐng)日期2012年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月14日
發(fā)明者胡斌杰, 張家樂(lè) 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)