CN104716421A - 可编程控制的可重构天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可编程控制的可重构天线，属于天线领域，该天线主要包括：伺服电路、可编程电压源、天线单元和天线阵；每个横向PIN二极管组成一个天线单元；天线阵由一个N行M列的横向PIN二极管阵列组成；伺服电路对可编程电压源进行编程控制，使可编程电压源输出符合编程要求的MN+M路电压；可编程电压源输出的MN+M路电压与天线阵中相应的横向PIN二极管的MN+M个电极相连，控制MN个横向PIN二极管的导通与截止，可实现可编程控制的频率可重构天线、可编程控制的直线阵天线和可编程控制的平面阵天线。本发明实现了可编程控制的频率可重构天线、可编程控制的直线阵天线和可编程控制的平面阵列天线。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件领域和天线领域，特别涉及利用半导体器件实现可编程控制的可重构天线。
背景技术
近年来，随着无线电通信、雷达等工程系统和多媒体技术的高速发展，要求系统中的天线能够实现动态可重构和提供高达千兆级(GbpS)的数据传输速率。基于横向PIN二极管的硅基等离子天线(Silicon-based Plasma Antenna)可用于下一代通信系统、高速无线设备与系统、低成本汽车雷达系统、雷达成像系统、智能天线和定向高能武器等，在民用和军用方面都有重要的应用价值。
为了降低通信系统的成本、减轻重量、实现良好的电磁兼容性，要求通信系统中的天线根据实际使用环境能够实时实现天线可重构，这样一个可重构的天线可以具有多个传统天线的功能，整个通信系统中的天线数量将大大减少。为了增强天线的方向性，提高天线的额增益和方向系数，或者为了得到所需要的辐射特性，可以采用天线阵以形成阵列天线。
等离子体独特的物理性质，在解决天线隐身与互耦等方面具有很大的发展潜力，已成为研究的热点。等离子体通过其中可以自由移动的带电粒子与外加电磁波之间的耦合共振实现对电磁波信号的传输，从而成为天线系统的重要组成部分接收和发射信号。一种全新的具有良好隐身性和快速动态可重构性的硅基等离子天线的概念被提出，且已经通过实验初步验证。硅基等离子天线的材料是单晶硅，且制备技术和现代硅集成电路工艺相兼容。硅基等离子体天线是天线领域的一个重大突破，是对传统天线的延伸和更新，它拓展了等离子体的工程应用范围。
发明内容
本发明目的是解决天线隐身、信息系统的天线数量和天线的可重构问题，提供一种可编程控制的可重构天线，通过控制横向PIN二极管的导通与截止可实现可编程控制的频率可重构天线、可编程控制的直线阵天线和可编程控制的平面阵列天线。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
可编程控制的可重构天线，包括：伺服电路、可编程电压源、由天线单元构成的天线阵；每个横向PIN二极管组成一个天线单元；天线阵为一个N行M列的横向PIN二极管阵列；伺服电路与可编程电压源连接，控制可编程电压源输出MN+M路电压；可编程电压源输出的MN+M路电压分别记为V1,1，V1,2，…,V1,M；V2,1，V2,2，…,V2,M；…；V2i-1,1，V2i-1,2，…，V2i-1,M；V2i,1，V2i,2，…，V2i,M；…；VN+1,1，VN+1,2，…，VN+1,M，可编程电压源输出的电压与相同编号的横向PIN二极管的电极用导线连接在一起；可编程电压源输出的MN+M路电压可以控制MN个横向PIN二极管的导通与截止。
所述的横向PIN二极管依次包括单晶硅衬底、绝缘埋层、本征硅区和表面钝化层，在本征硅区和表面钝化层的两端分别为P注入区(P区)和N注入区(N区)，P注入区和N注入区的上方各设有一个金属电极，其中绝缘埋层是氮化铝，本征区与P区和N区的金属电极的长度之比等于100。
所述天线阵中的横向PIN二极管两端加正向偏置电压(即P区电压高于N区电压一定数值)时横向PIN二极管导通；当横向PIN二极管两端加反向偏置电压(即N区电压大于等于P区电压)时横向PIN二极管截止。正向偏置的横向PIN二极管有一定数值的恒定电流流过，此时本征区含有一定数量的易于运动的载流子。已证明，当本征区载流子浓度需达到1018cm-3或以上时，此时本征区具有类金属的导电特性。正向偏置的横向PIN二极管可以用来设计各种天线，或作为天线阵的基本天线单元。
所述的天线阵，由N×M个横向PIN二极管排列成N行M列的横向PIN二极管阵列。
所述的天线阵的N行M列的横向PIN二极管阵列中，各列横向PIN二极管之间用二氧化硅隔离。
所述的天线阵的N行M列的横向PIN二极管阵列中相邻两列横向PIN二极管之间的距离可以相等也可以不等。
所述的N行M列横向PIN二极管阵列中的各横向PIN二极管的本征区的长度和宽度可以相同也可以不同。
所述的天线阵的N行M列的横向PIN二极管阵列中，第1行第j列的横向PIN二极管的P注入区的电极记为V1,j其中j＝1,2,...,M；第2i-1行第j列的横向PIN二极管与第2i行第j列的横向PIN二极管共用一个N注入区，该N注入区上的电极记为V2i,j,其中i＝1,2,...,N/2，j＝1,2,...,M；第2i行第j列的横向PIN二极管与第2i+1行第j列的横向PIN二极管共用一个P注入区，该P注入区上的电极记为V2i+1,j,其中j＝1,2,...,M；第N行第j列的横向PIN二极管的P注入区上的电极记为VN+1,j，其中j＝1,2,...,M。
所述的可编程电压源在伺服电路的编程控制下，可以实时在线编程输出MN+M路电压，对可编程电压源输出的MN+M路电压分别进行编号，分别为V1,1，V1,2，…,V1,M；V2,1，V2,2，…,V2,M；…；V2i-1,1，V2i-1,2，…，V2i-1,M；V2i,1，V2i,2，…，V2i，M；…；VN+1,1，VN+1,2，…，VN+1,M。可编程电压源输出的电压与相同编号的横向PIN二极管的电极用导线连接在一起。可编程电压源的每一路输出电压和相应的横向PIN二极管的电极相连接，控制横向PIN二极管的导通与截止，可实现可编程控制的频率可重构天线、可编程控制的直线阵天线和可编程控制的平面阵列天线。
本发明的优点和有益效果是：
上述可编程控制的可重构天线可以根据通信系统的需要，通过伺服电路对可编程电压源输出电压的实时在线编程控制，控制一列中不同的横向PIN二极管导通和截止，可实现天线的频率可重构；通过伺服电路对可编程电压源输出电压的实时在线编程控制，控制N行M列中不同的横向PIN二极管导通和截止，可实现不同的直线阵天线；通过伺服电路对可编程电压源输出电压的实时在线编程控制，控制N行M列中不同的横向PIN二极管导通和截止，可实现不同排列形状的平面阵天线。从而降低传统可重构天线、直线阵天线和平面阵天线设计的复杂度，降低通信系统的重量及成本。
附图说明
图1是横向PIN二极管的三维立体示意图。
图2是横向PIN二极管的俯视图。
图3是伺服电路和可编程电压源连接示意图。
图4是N行M列的横向PIN二极管阵列示意图。
图5是本发明提供的可编程控制的可重构天线原理图。
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不限于此。
实施例1：
如图5所示，这种可编程控制的可重构天线，它包括伺服电路9、可编程电压源10和N行M列(N为偶数)的横向PIN二极管构成的天线阵列11。
如图4所示，在横向PIN二极管构成的天线阵列11中，第1行第j列的横向PIN二极管的P注入区的电极记为V1,j其中j＝1,2,...,M；第2i-1行第j列的横向PIN二极管与第2i行第j列的横向PIN二极管共用一个N注入区，该N注入区上的电极记为V2i,j,其中i＝1,2,...,N2，j＝1,2,...,M；第2i行第j列的横向PIN二极管与第2i+1行第j列的横向PIN二极管共用一个P注入区，该P注入区上的电极记为V2i+1,j,其中j＝1,2,...,M；第N行第j列的横向PIN二极管的P注入区上的电极记为VN+1,j，其中j＝1,2,...,M。
如图3所示，伺服电路9对可编程电压源10进行编程控制，使可编程电压源10输出符合编程要求的MN+M路电压，对可编程电压源输出的MN+M路电压分别进行编号，分别为V1,1，V1,2，…,V1,M；V2,1，V2,2，…,V2,M；…；V2i-1,1，V2i-1,2，…，V2i-1,M；V2i,1，V2i,2，…，V2i,M；…；VN+1,1，VN+1,2，…，VN+1,M。可编程电压源输出的电压与相同编号的横向PIN二极管的电极用导线连接在一起。可编程电压源的每一路输出电压和相应的横向PIN二极管的电极相连接，控制横向PIN二极管的导通与截止，可实现可编程控制的频率可重构天线。
如图1和图2所示，横向PIN二极管8包括绝缘埋层1、N注入区(N区)2、金属电极3、表面钝化层4、P注入区(P区)5、单晶硅衬底6和本征区7，其中本征区7的长度与电极3的长度之比等于100。
当横向PIN二极管8两端加正向偏置电压时，即P区5的电压高于N区2的电压一定数值，横向PIN二极管8导通；当横向PIN二极管8两端加反向偏置电压时，即N区2的电压大于等于P区5的电压时，横向PIN二极管8截止。正向导通的横向PIN二极管8有一定数值的恒定电流流过，此时本征区7含有一定数量的易于运动的载流子。当本征区7的载流子浓度需达到1018cm-3或以上时，此时本征区7具有类金属的导电特性。此时可用正向偏置的横向PIN二极管8来设计频率可重构天线。
不失一般性，伺服电路9对可编程电压源10进行编程控制，使可编程电压源10输出MN+M路一定数值的电压，其中Vi+1,j＞Vi,j＞Vi-1,j＞0，可编程电压源10其他所有输出端输出的电压值都等于零。因此，此时N行M列的横向PIN二极管阵列11中只有第j列的第i-1行的横向PIN二极管8导通且其本征区7具有类金属的导电特性。若此时在第j列的第i-1行的横向PIN二极管8的P注入区(P区)5上方的金属电极3施加激励源，此时就形成了一个有效电长度等于本征区7长度的行波直线天线。
若此时保持其他条件不变，伺服电路9对可编程电压源10进行编程控制，使可编程电压源10输出MN+M路一定数值的电压，其中Vi+1,j＝Vi-3,j＞Vi,j＝Vi-2,j＞Vi-1,j＞0，可编程电压源10其他所有输出端输出的电压值都等于零。因此，此时N行M列的横向PIN二极管阵列11中只有第j列的第i-1行和i-2行的两个横向PIN二极管8导通，并假设N行M列的横向PIN二极管阵列11中所有的横向PIN二极管8的结构完全相同。若施加激励源的位置不变，此时就形成了一个有效电长度等于2倍的本征区7长度的行波直线天线。实现了可编程控制的频率可重构天线。通过类似的方法也可实现其他的频率可重构天线。
实施例2：
如图5所示，这种可编程控制的可重构天线，它包括伺服电路9、可编程电压源10和N行M列的横向PIN二极管阵列11。
伺服电路9对可编程电压源10进行编程控制，使可编程电压源10输出符合编程要求的MN+M路电压；可编程电压源输出的MN+M路电压与天线阵中相应N行M列的横向PIN二极管阵列11中MN+M个电极相连，控制横向PIN二极管8的导通与截止，可实现不同的直线阵天线。结构同实施例1。
假设N行M列的横向PIN二极管阵列11中相邻两列之间的距离都为d(参见图4)，各横向PIN二极管8的本征区7都相等且都等于λ/2，λ为天线的工作波长。
不失一般性，伺服电路9对可编程电压源10进行编程控制，使可编程电压源10输出MN+M路一定数值的电压，其中Vi,j＞Vi+1,j＝Vi-1,j＞0和Vi+4,j＞Vi+5,j＝Vi+3,j＞0，可编程电压源10其他所有输出端输出的电压值都等于零。因此，此时N行M列的横向PIN二极管阵列11中只有第j列的第i-1行、第i行、第i+3行、第i+4行的横向PIN二极管8导通且其本征区7具有类金属的导电特性。
若此时在第j列的第i行和第i+4行的横向PIN二极管8的P注入区(P区)5上方的金属电极3施加激励源，此时就形成了一个共轴排列二元半波振子阵天线。
若此时保持其他条件不变，伺服电路9对可编程电压源10进行编程控制，使可编程电压源10输出MN+M路一定数值的电压，其中Vi-4,j＞Vi-3,j＝Vi-5,j＞0、Vi,j＞Vi+1,j＝Vi-1,j＞0和Vi+4,j＞Vi+5,j＝Vi+3,j＞0，可编程电压源10其他所有输出端输出的电压值都等于零。因此，此时N行M列的横向PIN二极管阵列11中只有第j列的第i-5行、第i-4行、第i-1行、第i行、第i+3行和第i+4行的横向PIN二极管8导通且其本征区7具有类金属的导电特性。
若此时在第j列的第i-4行、第i行和第i+4行的横向PIN二极管8的P注入区(P区)5上方的金属电极3施加激励源，此时就形成了一个共轴排列三元半波振子阵天线。通过类似的方法也可实现其他不同的直线阵天线。
实施例3：
如图5所示，这种可编程控制的可重构天线，它包括伺服电路9、可编程电压源10和N行M列的横向PIN二极管阵列11。
伺服电路9对可编程电压源10进行编程控制，使可编程电压源10输出符合编程要求的MN+M路电压；可编程电压源输出的MN+M路电压与天线阵中相应N行M列的横向PIN二极管阵列11中的MN+M个电极相连，控制横向PIN二极管8的导通与截止，可实现不同的直线阵天线。结构同实施例1。
假设N行M列的横向PIN二极管阵列11中相邻两列之间的距离都为d，各横向PIN二极管8的本征区7都相等且都等于λ/2，λ为天线的工作波长。
不失一般性，伺服电路9对可编程电压源10进行编程控制，使可编程电压源10输出MN+M路一定数值的电压，其中Vi,j-1＞Vi+1,j-1＝Vi-1,j-1＞0、Vi,j＞Vi+1,j＝Vi-1,j＞0、Vi,j+1＞Vi+1,j+1＝Vi-1,j+1＞0，可编程电压源10其他所有输出端输出的电压值都等于零。因此，此时N行M列的横向PIN二极管阵列11中只有第j-1列、第j列和第j+1列的第i行和第i-1行的横向PIN二极管8导通且其本征区7具有类金属的导电特性。
在第j-1列、第j列和第j+1列第i行的横向PIN二极管8的P注入区(P区)5上方的金属电极3施加激励源，此时就形成了一个平行排列三元半波振子阵天线。
若此时保持其他条件不变，伺服电路9对可编程电压源10进行编程控制，使可编程电压源10输出MN+M路一定数值的电压，其中Vi,j-1＞Vi+1,j-1＝Vi-1,j-1＞0、Vi,j＞Vi+1,j＝Vi-1,j＞0、Vi,j+1＞Vi+1,j+1＝Vi-1,j+1＞0和Vi,j+2＞Vi+1,j+2＝Vi-1,j+2＞0，可编程电压源10其他所有输出端输出的电压值都等于零。因此，此时N行M列的横向PIN二极管阵列11中只有第j-1列、第j列、第j+1列和第j+2列的第i行和第i-1行的横向PIN二极管8导通且其本征区7具有类金属的导电特性。
在第j-1列、第j列、第j+1列和第j+2列第i行的横向PIN二极管8的P注入区(P区)5上方的金属电极3施加激励源，此时就形成了一个平行排列四元半波振子阵天线。通过类似的方法也可实现其他不同的直线阵天线。
通过在线编程的方法可以选择不同列的横向PIN二极管导通，通过改变激励源的相位可以实现不同的相控阵波束扫描天线。
实施例4：
如图5所示，这种可编程控制的可重构天线，它包括伺服电路9、可编程电压源10和N行M列的横向PIN二极管阵列11。
伺服电路9对可编程电压源10进行编程控制，使可编程电压源10输出符合编程要求的MN+M路电压；可编程电压源输出的MN+M路电压与天线阵中相应N行M列的横向PIN二极管阵列11中的MN+M个电极相连，控制横向PIN二极管8的导通与截止，可实现不同的直线阵天线。结构同实施例1。
假设N行M列的横向PIN二极管阵列11中相邻两列之间的距离都为d，各横向PIN二极管8的本征区7都相等且都等于λ/2，λ为天线的工作波长。
不失一般性，伺服电路9对可编程电压源10进行编程控制，使可编程电压源10输出MN+M路一定数值的电压，其中Vi,j＞Vi+1,j＝Vi-1,j＞0、Vi+4,j＞Vi+5,j＝Vi+3,j＞0、Vi,j+1＞Vi+1,j+1＝Vi-1,j+1＞0和Vi+4,j+1＞Vi+5,j+1＝Vi+3,j+1＞0，可编程电压源10其他所有输出端输出的电压值都等于零。因此，此时N行M列的横向PIN二极管阵列11中只有第j列和第j+1列的第i-1行、第i行、第i+3行、第i+4行的横向PIN二极管8导通且其本征区7具有类金属的导电特性。
若此时在第j列和第j+1列的第i行和第i+4行的横向PIN二极管8的P注入区(P区)5上方的金属电极3施加激励源，此时就形成了一个两行乘两列(2×2)矩形排列平面阵天线。
若此时保持其他条件不变，伺服电路9对可编程电压源10进行编程控制，使可编程电压源10输出MN+M路一定数值的电压，其中Vi-4,j＞Vi-3,j＝Vi-5,j＞0、Vi,j＞Vi+1,j＝Vi-1,j＞0、Vi+4,j＞Vi+5,j＝Vi+3,j＞0，Vi-4,j+1＞Vi-3,j+1＝Vi-5,j+1＞0、Vi,j+1＞Vi+1,j+1＝Vi-1,j+1＞0和Vi+4,j+1＞Vi+5,j+1＝Vi+3,j+1＞0，可编程电压源10其他所有输出端输出的电压值都等于零。因此，此时N行M列的横向PIN二极管阵列11中只有第j列和第j+1列的第i-5行、第i-4行、第i-1行、第i行、第i+3行和第i+4行的横向PIN二极管8导通且其本征区7具有类金属的导电特性。
若此时在第j列和第j+1列的第i-4行、第i行和第i+4行的横向PIN二极管8的P注入区(P区)5上方的金属电极3施加激励源，此时就形成了一个三行乘两列(3×2)矩形排列平面阵天线。通过类似的方法也可实现其他不同形状排列平面阵天线，如三角形排列平面阵天线等等。
实施例5：
伺服电路9对可编程电压源10进行编程控制，使可编程电压源10输出符合编程要求的MN+M路电压；可编程电压源输出的MN+M路电压与天线阵中相应N行M列的横向PIN二极管阵列11中MN+M个电极相连，控制横向PIN二极管8的导通与截止，可以按照上述所述的思路进行扩展，可实现其他不同的可编程控制的频率可重构天线、可编程控制的直线阵天线和可编程控制的平面阵列天线。
Claims (7)
1.可编程控制的可重构天线，其特征在于，所述天线包括：伺服电路、可编程电压源、由天线单元构成的天线阵；每个横向PIN二极管组成一个天线单元；天线阵由一个N行M列的横向PIN二极管阵列组成，N为偶数；伺服电路与可编程电压源连接，控制可编程电压源输出MN+M路电压；可编程电压源输出的MN+M路电压分别记为V1,1，V1,2，…,V1,M；V2,1，V2,2，…,V2,M；…；V2i-1,1，V2i-1,2，…，V2i-1,M；V2i,1，V2i,2，…，V2i,M；…；VN+1,1，VN+1,2，…，VN+1,M，可编程电压源输出的电压与相同编号的横向PIN二极管的电极用导线连接在一起；可编程电压源输出的MN+M路电压可以控制MN个横向PIN二极管的导通与截止。
2.根据权利要求1所述的可编程控制的可重构天线，其特征在于，所述的横向PIN二极管依次包括单晶硅衬底、绝缘埋层、本征硅区和表面钝化层，在本征硅区和表面钝化层的两端分别为P注入区和N注入区，P注入区和N注入区的上方各设有一个金属电极，其中绝缘埋层是氮化铝，本征区与P区和N区的金属电极的长度之比等于100。
3.根据权利要求2所述的可编程控制的可重构天线，其特征在于，所述天线阵中的横向PIN二极管两端加正向偏置电压即P区电压高于N区电压时，横向PIN二极管导通；当横向PIN二极管两端加反向偏置电压、即N区电压大于等于P区电压时，横向PIN二极管截止；正向偏置的横向PIN二极管有恒定电流流过，此时本征区含有易于运动的载流子，当本征区载流子浓度需达到1018cm-3或以上时，此时本征区具有类金属的导电特性；正向偏置的横向PIN二极管可以用来设计各种天线，或作为天线阵的基本天线单元。
4.根据权利要求1所述的可编程控制的可重构天线，其特征在于，所述的N行M列的横向PIN二极管天线阵中，各列横向PIN二极管之间用二氧化硅隔离。
5.根据权利要求1所述的可编程控制的可重构天线，其特征在于，所述的N行M列的横向PIN二极管，各列横向PIN二极管之间的距离可以相等也可以不等。
6.根据权利要求1所述的可编程控制的可重构天线，其特征在于，所述的天线阵中的各横向PIN二极管的本征区长度和宽度可以相等也可以不等。
7.根据权利要求1所述的可编程控制的可重构天线，其特征在于，所述的天线阵，由N×M个横向PIN二极管排列成N行M列的横向PIN二极管阵列；第1行第j列的横向PIN二极管的P注入区的电极记为V1,j其中j＝1,2,...,M；第2i-1行第j列的横向PIN二极管与第2i行第j列的横向PIN二极管共用一个N注入区，该N注入区上的电极记为V2i,j,其中i＝1,2,...,N/2，j＝1,2,...,M；第2i行第j列的横向PIN二极管与第2i+1行第j列的横向 PIN二极管共用一个P注入区，该P注入区上的电极记为V2i+1,j,其中j＝1,2,...,M；第N行第j列的横向PIN二极管的P注入区上的电极记为VN+1,j，其中j＝1,2,...,M。
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2015
- 2015-04-08 CN CN201510165489.2A patent/CN104716421B/zh active Active
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