CN102956993A

CN102956993A - 基于s-pin二极管的方向图可重构圆盘型微带天线

Info

Publication number: CN102956993A
Application number: CN2012104563995A
Authority: CN
Inventors: 胡斌杰; 张家乐
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2012-11-14
Filing date: 2012-11-14
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2032-11-14
Also published as: CN102956993B

Abstract

本发明公开了基于S-PIN二极管的方向图可重构圆盘型微带天线，包括产生主辐射的圆形贴片，带有特殊U形槽的六个扇形寄生贴片，圆形贴片与各寄生贴片之间安装一个S-PIN二极管，通过各S-PIN二极管的偏置电压控制其通断状态。天线工作时，探针连接圆形贴片直接馈电，通过S-PIN二极管连接其中一个寄生贴片，使表面电流流向该贴片，方向图即向该方向偏转。依次导通相邻的S-PIN二极管，可实现方向图的全向扫描。本发明天线体积小、易于集成，并且工作在802.11g与802.11p频段，应用场合广，能实现方向图的全向扫描，具有良好的应用前景。

Description

基于S-PIN二极管的方向图可重构圆盘型微带天线

技术领域

本发明涉及固态等离子体技术和微带天线技术，特别是涉及利用固态等离子体技术实现方向图可重构的微带天线。

背景技术

现代大容量、多功能、超宽带综合信息系统的迅猛发展，使得在同一平台上搭载的信息子系统数量增加。天线作为无线系统中信息出入的通道，其数量也相应地增加。可重构天线技术使天线能根据实际环境需要实时重构天线特性,具有降低综合信息系统的整体成本、减轻重量、减小系统的雷达散射截面、实现良好的电磁兼容特性等优势。其中，方向图可重构天线可以使天线方向图动态调整，能够满足智能武器寻的、汽车和飞机雷达、无线和卫星通信网络以及空间遥感等要求，有广泛的应用前景。目前在方向图可重构方面的研究大多仍然基于传统的相控阵天线理论。本发明利用微带天线实现了方向图可重构，使方向图能进行全向扫描。微带天线是指介质基片上，一面覆盖金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀方法制成一定形状的金属贴片，利用微带线或同轴探针对贴片馈电形成的天线。微带天线因其重量轻，体积小，低剖面等诸多优点而成为多种天线之中比较实用的一种。

等离子体独特的物理性质,在解决天线隐身、互耦、带宽方面具有很大的发展潜力，因此离子体天线成为天线领域的研究的热点。而目前绝大多数的研究只限于气态等离子体天线，而对固态等离子体天线的研究几乎还是空白。固态等离子体一般存在于物理半导体器件中，无需像气态等离子那样用介质管包裹，因而有更好的安全性和稳定性。虽然它很难被大面积、高浓度地激发，但可以转换思想加以利用。本发明利用S-PIN二极管工作时激发的固态等离子使其成为性能良好的射频开关。

发明内容

本发明的目的在于提供基于S-PIN二极管的方向图可重构圆盘型微带天线，利用固态等离子体实现天线结构动态改变，辐射特性快速可调，并且可以进行全向扫描的微带天线。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

基于S-PIN二极管的方向图可重构圆盘型微带天线，包括基板、接地板与圆形贴片，其特征是在圆形贴片边缘均匀间隔安装4~6个S-PIN二极管，每个S-PIN二极管的P型端与圆形贴片边缘连接；N型端通过长方形微带线与扇形寄生贴片连接且N型端的宽度与长方形微带线宽度一致；所述扇形寄生贴片各开有一个U形槽；通过控制所述S-PIN二极管的偏置电压使S-PIN二极管导通或断开；顺次使相邻的S-PIN二极管导通，实现天线方向图的全向扫描。

所述U形槽由第一条形槽、第二条形槽、第三条形槽、第四条形槽和第五条形槽顺次连接组成，U形槽关于第三条形槽的中垂线对称，其中第一条形槽与第五条形槽分别与第三条形槽垂直，第二条形槽、第四条形槽与第三条形槽的夹角相等，为110°~120 °，U形槽的开口朝向圆形贴片。

S-PIN二极管包括第一金属触片、第二金属触片、硼磷硅玻璃、P型半导体块、N型半导体块、本征层、埋氧层和硅衬底；第一金属触片与第二金属触片之间有间隙，间隙中填充了硼磷硅玻璃；第一金属触片的下方与所述P型半导体块连接，用于提供空穴；第二金属触片的下方与所述N型半导体块连接，用于提供电子；P型和N型半导体块除顶面以外都被所述本征层包裹着；本征层下面紧贴着一层所述埋氧层；埋氧层下面紧贴着所述硅衬底，硅衬底处于S-PIN二极管的底部；当在第一金属触片与第二金属触片之间加上正向偏置电压后，S-PIN二极管导通，当不加偏置电压时，S-PIN二极管断开。第一金属触片与第二金属触片的厚度为0.8μm-1.5μm，两金属触片之间的间隙为50μm-100μm。加在两金属触片之间的偏置电压为直流稳压，电压值为2.5V-3V。本征层的材料为纯硅，厚度为70μm-90μm。埋氧层的材料是二氧化硅，厚度为2μm-3μm。硅衬底的材料为纯硅，厚度为200μm-400μm。第一金属触片、第二金属触片之间的间隙填充的硼磷硅玻璃是一种掺硼的二氧化硅玻璃，厚度为1μm-2μm。

S-PIN二极管具有纳秒级（如10ns-100ns）的开关速度，便于天线方向图的快速动态调整。S-PIN二极管的宽度可以在较大范围内调整，本发明中，S-PIN二极管的宽度须与长方形微带线宽度一致，保证了方向图能够随S-PIN二极管导通而产生明显偏转。

本发明利用直流电压激发P型半导体释放大量空穴，N型半导体释放大量电子，空穴和电子统称固态等离子。这些等离子注入到本征层中，形成等离子体薄层。但要使等离子体薄层具有良好的金属特性，必须有足够高的等离子浓度。已证明，当等离子浓度达到10¹⁸cm^-3数量级时，S-PIN二极管就具有良好的金属导电性能，这样才能使S-PIN二极管导通时具有低的插入损耗。为此，利用SOI(Silicon-On-Insulator)结构，在硅衬底和本征层之间加入了埋氧层，这与现有硅工艺兼容，可减少13-20%的工序。加入了埋氧层，且埋氧层与触片之间的距离为趋肤深度的2-3倍，使载流子无法扩散到硅衬底中，只在很薄的本征层中运动，使得浓度指标容易满足，并保证浓度分布均匀，减少微波传播时的耗散。

与现有的技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

(1) 目前在方向图可重构方面的研究大多仍然基于传统的相控阵天线理论。相控阵天线需要多个辐射单元同时工作，而且馈电网络复杂，体积大、成本高，本发明采用微带天线，体积小，加工简单，并且波束可控范围较大，可实现全向扫描。

（2）本发明的工作频率在5.64GHz-5.93GHz，覆盖了802.11g(WLAN)的工作频段5.825GHz-5.875GHz与802.11p（车联网）的工作频段5.86GHz-5.925 GHz，可用于这两种局域网的目标追踪与扫描等场景。

附图说明

图1为本发明基于S-PIN二极管的方向图可重构圆盘型微带天线的正面示意图。

图2为本发明基于S-PIN二极管的方向图可重构圆盘型微带天线的剖面示意图。

图3为S-PIN二极管的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明，但本发明的实施方式和保护不限于此。

如图1、图2所示，方向图可重构圆盘型微带天线采用同轴馈电方式，主体包括圆形基板1，接地板2，同轴探针3直接连接圆形贴片4进行馈电。圆形贴片4边缘均匀安装6个S-PIN二极管5，每个S-PIN二极管的P型端与圆形贴片边缘连接；N型端通过长方形的微带线6与扇形寄生贴片连接且N型端的宽度与长方形微带线宽度一致；所述扇形寄生贴片各开有一个U形槽；当S-PIN二极管加上正向偏置电压时，S-PIN二极管导通，不加电压时，S-PIN二极管断开。通过控制各S-PIN二极管的通断状态，实现天线方向图的高速全向扫描。

如图1，所述U形槽由第一条形槽、第二条形槽、第三条形槽、第四条形槽和第五条形槽顺次连接组成，U形槽关于第三条形槽的中垂线对称，其中第一条形槽与第五条形槽分别与第三条形槽垂直，第二条形槽、第四条形槽与第三条形槽的夹角相等，为110°~120 °，U形槽的开口朝向圆形贴片。

S-PIN二极管包括第一金属触片9、第二金属触片10、硼磷硅玻璃11、P型半导体块12、N型半导体块13、本征层14、埋氧层15和硅衬底16；第一金属触片与第二金属触片之间有间隙，间隙中填充了硼磷硅玻璃；第一金属触片的下方与所述P型半导体块连接，用于提供空穴；第二金属触片的下方与所述N型半导体块连接，用于提供电子；P型和N型半导体块除顶面以外都被所述本征层包裹着；本征层下面紧贴着一层所述埋氧层；埋氧层下面紧贴着所述硅衬底，硅衬底处于S-PIN二极管的底部；当在第一金属触片与第二金属触片之间加上正向偏置电压后，S-PIN二极管导通，当不加偏置电压时，S-PIN二极管断开。每相邻两个扇形寄生贴片7之间由矩形缝隙隔开。作为实例，其中圆形基板1的半径为25mm，厚度为3.2mm，圆形贴片4的半径为5mm，扇形贴片7之间的缝隙宽1mm。扇形寄生贴片7开有一个特殊U形槽8，它由5段组成，关于a段的中垂线对称，其中a段长5mm，b段长4.8mm,c段长4mm，经仿真，工作频率在5.64GHz-5.93GHz。通过控制S-PIN二极管5的通断状态，使圆形贴片1连接到其中一个寄生贴片7，天线表面电流便流向该贴片，方向图即向该方向偏转。如果依次使相邻的S-PIN二极管5导通，可实现方向图的全向扫描。

如图3所示，S-PIN二极管5包括第一金属触片9，第二金属触片10，两金属触片之间的间隙为100μm。两金属触片的间隙由硼磷硅玻璃11填充，厚度为1μm。第一金属触片9的下方有P型半导体块12，第二金属触片10的下方有N型半导体块13。本征层14是没有掺杂杂质的纯硅，包裹着P型和N型半导体。本征层下方是埋氧层15，可用二氧化硅制成，用于防止载流子向下方扩散，维持载流子的浓度。埋氧层15下方是硅衬底16，可以看作是一层绝缘的电介质，并起支撑作用。

当两金属触片之间加上正向电压时，N型半导体块13的会产生大量自由电子， P型半导体块12则产生大量空穴。由于埋氧层15的阻隔，电子与空穴只能注入到本征层14中。当载流子浓度达到10¹⁸cm^-3，等离子体具有足够的导电率，形成类似金属的薄层，S-PIN二极管5导通。当不加电压，S-PIN二极管5断开。

天线可以用于全向扫描，根据需要的扫描频率控制电源的通断。先导通一个S-PIN二极管5，再断开此二极管，同时导通相邻的S-PIN二极管5，如此类推，便能实现方向图的全向扫描。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均属于本发明保护的范围。

Claims

1.基于S-PIN二极管的方向图可重构圆盘型微带天线，包括基板、接地板与圆形贴片，其特征是在圆形贴片边缘均匀间隔安装4~6个S-PIN二极管，每个S-PIN二极管的P型端与圆形贴片边缘连接；N型端通过长方形微带线与扇形寄生贴片连接且N型端的宽度与长方形微带线宽度一致；所述扇形寄生贴片各开有一个U形槽；通过控制所述S-PIN二极管的偏置电压使S-PIN二极管导通或断开；顺次使相邻的S-PIN二极管导通，实现天线方向图的全向扫描。

2.根据权利要求1所述的基于S-PIN二极管的方向图可重构圆盘型微带天线，其特征在于：所述U形槽由第一条形槽、第二条形槽、第三条形槽、第四条形槽和第五条形槽顺次连接组成，U形槽关于第三条形槽的中垂线对称，其中第一条形槽与第五条形槽分别与第三条形槽垂直，第二条形槽、第四条形槽与第三条形槽的夹角相等，为110°~120 °，U形槽的开口朝向圆形贴片。

3.根据权利要求1所述的基于S-PIN二极管的方向图可重构圆盘型微带天线，其特征在于安装的S-PIN二极管包括第一金属触片、第二金属触片、硼磷硅玻璃、P型半导体块、N型半导体块、本征层、埋氧层和硅衬底；第一金属触片与第二金属触片之间有间隙，间隙中填充了硼磷硅玻璃；第一金属触片的下方与所述P型半导体块连接，用于提供空穴；第二金属触片的下方与所述N型半导体块连接，用于提供电子；P型和N型半导体块除顶面以外都被所述本征层包裹着；本征层下面紧贴着一层所述埋氧层；埋氧层下面紧贴着所述硅衬底，硅衬底处于S-PIN二极管的底部；当在第一金属触片与第二金属触片之间加上正向偏置电压后，S-PIN二极管导通，当不加偏置电压时，S-PIN二极管断开。

4.根据权利要求3所述的基于S-PIN二极管的方向图可重构圆盘型微带天线，其特征在于：第一金属触片与第二金属触片的厚度为0.8μm-1.5μm。

5.根据权利要求3所述的基于S-PIN二极管的方向图可重构圆盘型微带天线，其特征在于：第一金属触片与第二金属触片之间的间隙为50μm-100μm。

6.根据权利要求3所述的基于S-PIN二极管的方向图可重构圆盘型微带天线，其特征在于：加在两金属触片之间的偏置电压为直流稳压，电压值为2.5V-3V。

7.根据权利要求3所述的基于S-PIN二极管的方向图可重构圆盘型微带天线，其特征在于：本征层的材料为纯硅，厚度为70μm-90μm。

8.根据权利要求3所述的基于S-PIN二极管的方向图可重构圆盘型微带天线，其特征在于：埋氧层的材料是二氧化硅，厚度为2μm-3μm。

9.根据权利要求3所述的基于S-PIN二极管的方向图可重构圆盘型微带天线，其特征在于：硅衬底的材料为纯硅，厚度为200μm-400μm。

10.根据权利要求3所述的基于S-PIN二极管的方向图可重构圆盘型微带天线，其特征在于：第一金属触片、第二金属触片之间的间隙填充的硼磷硅玻璃是一种掺硼的二氧化硅玻璃，厚度为1μm-2μm。