CN106229687A - 基于网格形横向pin二极管的可编程控制的可重构天线 - Google Patents

基于网格形横向pin二极管的可编程控制的可重构天线 Download PDF

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CN106229687A CN201610545070.4A CN201610545070A CN106229687A CN 106229687 A CN106229687 A CN 106229687A CN 201610545070 A CN201610545070 A CN 201610545070A CN 106229687 A CN106229687 A CN 106229687A
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华国亮
崔锦韬
韩荣坤
冯钊
任立儒
张福海
耿卫东
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Abstract

一种基于网格形横向PIN二极管的可编程控制的可重构天线。该天线包括：伺服电路、可编程电压源和天线阵，所述的天线阵是由网格形横向PIN二极管构成；网格形横向PIN二极管由2M行2N列的横向PIN二极管构成，共包含8MN‑2N‑2M个横向PIN二极管；伺服电路通过编程对可编程电压源进行控制，使可编程电压源输出符合编程要求的多路电压；可编程电压源能够为网格形横向PIN二极管中相应的横向PIN二极管加上电压，控制该横向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、可编程控制的方向图可重构天线和可编程控制的直线阵天线或平面阵列天线。本发明实现了基于网格形横向PIN二极管的可编程控制的可重构天线。

Description

基于网格形横向PIN二极管的可编程控制的可重构天线
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，高频卫星通信系统、雷达、无线通信系统，尤其是全球4G网络建设的飞速发展，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。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、毫米波成像系统、智能天线和军用雷达隐形等，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、避免多个天线之间的电磁兼容问题，可重构天线的概念被提出并得到蓬勃发展。可重构的天线可以具有多个传统天线的功能，将大大减少整个通信系统中的天线数量。为了增强天线的方向性，提高天线的增益和方向系数，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。
硅基等离子天线是单晶硅片上横向PIN二极管的集合体。横向PIN二极管由三个区组成，掺杂浓度很高的P型区和N型区以及夹在两者之间的本征区。对横向PIN二极管施加直流电压，使P区电压高于N区电压一定数值形成正向偏置。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，这些易于运动的载流子可等效为“等离子”。正向偏置的横向PIN二极管的本征区从导电特性上可等效为带有大量自由电子的导体，因此横向PIN二极管可以用作设计天线。横向PIN二极管两端的正向偏置电压消失后中间的等离子区消失，横向PIN二极管停止工作，可通过控制横向PIN二极管两端的正向偏置电压来控制横向PIN二极的导通与截止。因此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，且已经通过实验验证。硅基等离子体天线是天线领域的一个新的研究热点。
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，提供一种基于网格形横向PIN二极管的可编程控制的可重构天线，通过控制网格形横向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：
基于网格形横向PIN二极管的可编程控制的可重构天线，包括：伺服电路、可编程电压源和天线阵；所述的天线阵是由网格形横向PIN二极管构成；网格形横向PIN二极管是由2M行2N列的横向PIN二极管构成，共包含8MN-2N-2M个横向PIN二极管，网格形横向PIN二极管中的每个网格由4个横向PIN二极管构成，且相邻网格的横向PIN二极管共用，每个网格的4个顶点各设有一个电极；所述伺服电路与可编程电压源连接，控制可编程电压源输出2M×2N路电压；可编程电压源输出的2M×2N路电压分别记为V1,1，V1,2，…，V1,2N；V2,1，V2,2，…，V2,2N；……；V2i-1,1，V2i-1,2，…，V2i-1,2N；V2i,1，V2i,2，…，V2i,2N；……；V2M-1,1，V2M-1,2，…，V2M-1,2N；V2M,1，V2M,2，…，V2M,2N。同时，为了表述方便，按照排列方式不同对网格形横向PIN二极管中的各横向PIN二极管进行区分，可分为横向排列的横向PIN二极管(R)与纵向排列的横向PIN二极管(L)。横向排列的横向PIN二极管中：把与电极Vp,q和Vp,q+1相连的横向PIN二极管标记为Rp,q，共4MN-2M个。纵向排列的横向PIN二极管中：把与电极Vp,q和Vp+1,q相连的横向PIN二极管标记为Lp,q，共4MN-2N个。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2M×2N路电压可以控制8MN-2N-2M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(参见2015101654892号，可编程控制的可重构天线)。
所述网格形横向PIN二极管中的横向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。
所述的网格形横向PIN二极管，由8MN-2N-2M个横向PIN二极管排列成2M行2N列的网格形状。
所述的2M行2N列网格形横向PIN二极管中的各横向PIN二极管的本征区的长度和宽度可以相同也可以不同。
所述的网格形横向PIN二极管中，第2i-1行和第2j-1列的横向PIN二极管的公共部分为P注入区，其电极记为V2i-1,2j-1，第2i行和第2j列的横向PIN二极管的公共部分为P注入区，其电极记为V2i,2j；第2i行和第2j-1列的横向PIN二极管的公共部分为N注入区，其电极记为V2i,2j-1，第2i-1行和第2j列的横向PIN二极管的公共部分为的N注入区，其电极记为V2i-1,2j。(即对于Vp,q来说，若下角标p，q之和为偶数时，对应的是P注入区的电势；若下角标p，q之和为奇数时，对应的是N注入区的电势，其中p＝1,2……2M；q＝1,2,……2N)相邻的P注入区和N注入区由本征区连接，构成一个横向PIN二极管，其中i＝1,2,……,M，j＝1,2,……,N。
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2M×2N路电压，对可编程电压源输出的2M×2N路电压分别进行编号，分别为V1,1，V1,2，…，V1,2N；V2,1，V2,2，…，V2,2N；……；V2i-1,1，V2i-1,2，…，V2i-1,2N；V2i,1，V2i,2，…，V2i,2N；……；V2M-1,1，V2M-1,2，…，V2M-1,2N；V2M,1，V2M,2，…，V2M,2N。同时，为了表述方便，按照排列方式不同对网格形横向PIN二极管中的各横向PIN二极管进行区分，可分为横向排列的横向PIN二极管(R)与纵向排列的横向PIN二极管(L)。横向排列的横向PIN二极管中：把与电极Vp,q和Vp,q+1相连的横向PIN二极管标记为Rp,q，共4MN-2M个。纵向排列的横向PIN二极管中：把与电极Vp,q和Vp+1,q相连的横向PIN二极管标记为Lp,q，共4MN-2N个(其中p＝1,2……2M；q＝1,2,……2N)。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：
上述基于网格形横向PIN二极管的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，控制网格形横向PIN二极管中不同的横向PIN二极管导通和截止，可实现频率可重构天线、不同的直线阵天线和不同排列形状的平面阵天线等。
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是由2M行2N列横向PIN二极管组成的网格形横向PIN二极管示意图。
图4是伺服电路和可编程电压源连接示意图。
图5是本发明提供的基于网格形横向PIN二极管的可编程控制的可重构天线。
其中，1绝缘埋层、2N注入区(N区)、3金属电极、4表面钝化层、5P注入区(P区)、6单晶硅衬底、7本征区、8横向PIN二极管、9伺服电路，10可编程电压源，11网格形横向PIN二极管。
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，这种基于网格形横向PIN二极管的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和由2M行2N列横向PIN二极管8组成的网格形横向PIN二极管11。
如图3所示，所述的网格形横向PIN二极管11，由2M行2N列的横向PIN二极管构成，共包含8MN-2N-2M个横向PIN二极管；第2i-1行和第2j-1列的横向PIN二极管的公共部分为P注入区，其电极记为V2i-1,2j-1，第2i行和第2j列的横向PIN二极管的公共部分为P注入区，其电极记为V2i,2j；第2i行和第2j-1列的横向PIN二极管的公共部分为N注入区，其电极记为V2i,2j-1，第2i-1行和第2j列的横向PIN二极管的公共部分为N注入区，其电极记为V2i-1,2j。(即对于Vp,q来说，若下角标p，q之和为偶数时，对应的是P注入区的电势；若下角标p，q之和为奇数时，对应的是N注入区的电势，其中p＝1,2……2M；q＝1,2,……2N)相邻的P注入区和N注入区由本征区连接，构成一个横向PIN二极管，其中i＝1,2,……,M，j＝1,2,……,N。
如图4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2M×2N路电压，对可编程电压源输出的2M×2N路电压分别进行编号，分别为V1,1，V1,2，…，V1,2N；V2,1，V2,2，…，V2,2N；……；V2i-1,1，V2i-1,2，…，V2i-1,2N；V2i,1，V2i,2，…，V2i,2N；……；V2M-1,1，V2M-1,2，…，V2M-1,2N；V2M,1，V2M,2，…，V2M,2N。同时，为了表述方便，按照排列方式不同对网格形横向PIN二极管中的各横向PIN二极管进行区分，可分为横向排列的横向PIN二极管(R)与纵向排列的横向PIN二极管(L)，并对图3所示的横向PIN二极管进行编号。横向排列的横向PIN二极管中：把与电极Vp,q和Vp,q+1相连的横向PIN二极管标记为Rp,q，共4MN-2M个。纵向排列的横向PIN二极管中：把与电极Vp,q和Vp+1,q相连的横向PIN二极管标记为Lp,q，共4MN-2N个。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。
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。
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来设计各种天线。
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2M×2N路一定数值的电压，其中V2i,2j-1＝V2i-1,2j＝V2i+1,2j>V2i,2j>V2i,2j+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0，则网格形横向PIN二极管中只有横向PIN二极管R2i,2j导通，且其本征区7具有类金属的导电特性。
若此时在第2i行第2j列的注入区(P区)上方的金属电极施加激励源，此时就形成了一个有效电长度等于横向PIN二极管R2i,2j本征区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2M×2N路一定数值的电压,其中V2i,2j-1＝V2i-1,2j＝V2i+1,2j＝V2i,2j+3＝V2i-1,2j+2＝V2i+1,2j+2>V2i,2j＝V2i,2j+2>V2i,2j+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0，则网格形横向PIN二极管中只有横向PIN二极管R2i,2j,R2i,2j+1导通且其本征区7具有类金属的导电特性。
假设所有的横向PIN二极管的结构完全相同，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所示基于网格形横向PIN二极管的可编程控制的可重构天线。
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2M×2N路电压；可编程电压源输出的2M×2N路电压与由2M行2N列横向PIN二极管组成的网格形横向PIN二极管11中2M×2N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。
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2M×2N路一定数值的电压，其中V2i-1,2j＝V2i,2j-1＝V2i,2j+1>V2i,2j>V2i+1,2j>0，可编程电压源10其他所有输出端输出的电压值都等于0，则网格形横向PIN二极管中只有V2i,2j与V2i+1,2j之间的横向PIN二极管L2i,2j导通，且其本征区7具有类金属的导电特性。
若此时在第2i行第2j列的注入区(P区)上方的金属电极施加激励源，此时就形成了一个有效电长度等于本征区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2M×2N路一定数值的电压,其中V2i-1,2j＝V2i,2j-1＝V2i,2j+1＝V2i+3,2j＝V2i+2,2j-1＝V2i+2,2j+1>V2i,2j＝V2i+2,2j>V2i+1,2j>0，可编程电压源10其他所有输出端输出的电压值都等于0，则网格形横向PIN二极管中只有横向PIN二极管L2i,2j、L2i+1,2j导通，且其本征区7具有类金属的导电特性。
假设所有的横向PIN二极管的结构完全相同，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倍的本征区长度的行波直线天线。
实施例3：
如图5所示基于网格形横向PIN二极管的可编程控制的可重构天线。
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2M×2N路电压；可编程电压源输出的2M×2N路电压与由2M行2N列横向PIN二极管组成的网格形横向PIN二极管11中的2M×2N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2M×2N路一定数值的电压，其中V2i+1,2j＝V2i-1,2j＝V2i,2j-1>V2i,2j>V2i,2j+1＝V2i-1,2j+2＝V2i+1,2j+2>V2i,2j+2>V2i,2j+3>0,可编程电压源10其他所有输出端输出的电压值都等于0，则网格形横向PIN二极管中只有标号为R2i,2j；R2i,2j+2的横向PIN二极管导通，且其本征区7具有类金属的导电特性。
若此时在2i行第2j列，第2i行第2j+2的注入区(P区)上方的金属电极施加激励源，此时就形成了一个共轴排列的二元行波单导线天线。以此类推可形成n元行波单导线天线。
通过在线编程的方法可以选择不同行和列的横向PIN二极管导通，通过改变激励源的相位可以实现不同的阵列天线。
实施例4：
如图5所示基于网格形横向PIN二极管的可编程控制的可重构天线。
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2M×2N路电压；可编程电压源输出的2M×2N路电压与由2M行2N列横向PIN二极管组成的网格形横向PIN二极管11的2M×2N个电极相连，控制横向PIN二极管8的导通与截止，可实现不同的平面阵天线。结构同实施例1。
假设各横向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2M×2N路一定数值的电压，其中V2i-1,2j＝V2i,2j-1＝V2i+1,2j＝V2i+2,2j-1＝V2i+3,2j>V2i,2j＝V2i+2,2j>0,可编程电压源10其他所有输出端输出的电压值都等于0，则网格形横向PIN二极管中只有标号为R2i,2j；R2i+2,2j的横向PIN二极管导通，且其本征区7具有类金属的导电特性。
若此时在第2i行第2j列的注入区(P区)，第2i+2行第2j列的注入区(P区)上方的金属电极施加激励源，此时就形成了一个平行排列二元行波单导线天线。以此类推可形成n元行波单导线天线。
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2M×2N路电压；可编程电压源输出的2M×2N路电压与由2M行2N列横向PIN二极管组成的网格形横向PIN二极管11中2M×2N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 (3)

1.基于网格形横向PIN二极管的可编程控制的可重构天线，包括：伺服电路、可编程电压源和天线阵，其特征在于，所述的天线阵是由网格形横向PIN二极管构成；所述网格形横向PIN二极管是由2M行2N列的横向PIN二极管构成，共包含8MN-2N-2M个横向PIN二极管；网格形横向PIN二极管中的每个网格由4个横向PIN二极管构成，且相邻网格的横向PIN二极管共用，每个网格的4个顶点各设有一个电极；所述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2M×2N路电压；可编程电压源输出的2M×2N路电压分别与网格形横向PIN二极管中相应的(2M-1)×(2N-1)个网格上的2M×2N电极相连，即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，控制各网格上的横向PIN二极管的导通与截止。
2.根据权利要求1所述的基于网格形横向PIN二极管的可编程控制的可重构天线，其特征在于，所述的网格中的各横向PIN二极管的本征区长度和宽度可以相等也可以不等。
3.根据权利要求1所述的基于网格形横向PIN二极管的可编程控制的可重构天线，其特征在于，所述的网格形横向PIN二极管中，第2i-1行和第2j-1列的横向PIN二极管的公共部分为P注入区，其电极记为V2i-1,2j-1，第2i行和第2j列的横向PIN二极管的公共部分为P注入区，其电极记为V2i,2j；第2i行和第2j-1列的横向PIN二极管的公共部分为N注入区，其电极记为V2i,2j-1；第2i-1行和第2j列的横向PIN二极管的公共部分为的N注入区，其电极记为V2i-1,2j；即对于Vp,q来说，若下角标p、q之和为偶数时，对应的横向PIN二极管的公共部分是P注入区的电势；若下角标p，q之和为奇数时，对应的横向PIN二极管的公共部分是N注入区的电势，其中p＝1,2……2M；q＝1,2,……2N；相邻的P注入区和N注入区由本征区连接，构成一个横向PIN二极管，其中i＝1,2,……,M；j＝1,2,……,N。
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EP0021762B1 (en) * 1979-06-14 1984-03-07 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Electronic tuning antenna system
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