CN106785430A - 可重构多层全息天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种可重构多层全息天线。该天线包括半导体基片(11)天线模块(13)、第一全息圆环(15)及第二全息圆环(17)；天线模块(13)、第一全息圆环(15)及第二全息圆环(17)均采用半导体工艺制作于半导体基片(11)上；其中，天线模块(13)、第一全息圆环(15)及第二全息圆环(17)均包括依次串接的SPiN二极管串。本发明通过在半导体基片上制作SPiN二极管，利用SPiN二极管构成源天线和全息结构，体积小、结构简单、易于加工；天线采用同轴电缆作为馈源，无复杂馈源结构；通过直流偏置线上的外加电压即可控制SPiN二极管串的导通或断开，以实现天线的隐身及频率的快速跳变；通过结构可实现目标天线的辐射特性。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种可重构多层全息天线。
背景技术
各类无线电通讯设备，如雷达、广播、电视等，都要通过天线来传递信号，要求天线具有较高的性能指标。全息天线是一类特殊的天线形式，其设计思想独特，某些指标优于其他形式的天线，其设计理论和工程应用具有较高的研究和实用价值。具体地，全息天线是利用全息结构改变馈源辐射特性，以获得所需辐射的一种口径天线。全息天线的馈源不需要复杂的馈电网络，避免了微带天线阵列馈电网络的高损耗。而且，全息天线可以通过印刷电路板技术加工，馈源和全息板又放置在同一平面上，实现了低剖面，这是相对于反射面天线的一大优点。全息天线在实现高增益的同时，还具有低交叉极化的优良特性。
然后，为突破传统天线固定不变的工作性能难以满足多样的系统需求和复杂多变的应用环境，可重构天线的概念得到重视并获得发展。可重构天线按功能可分为频率可重构天线(包括实现宽频带和实现多频带)、方向图可重构天线、极化可重构天线和多电磁参数可重构天线。通过改变可重构天线的结构可以使天线的频率、波瓣图、极化方式等多种参数中的一种或几种实现重构。因其具有体积小、功能多、易于实现分集应用的优点，已经成为研究热点。
因此，如何制作一种可重构的全息天线就变得极其重要。
发明内容
为了解决上述的漏电流问题，本发明实施例提出了一种可重构多层全息天线。
本发明的实施例提供了一种可重构多层全息天线，包括：
半导体基片11天线模块13、第一全息圆环15及第二全息圆环17；所述天线模块13、所述第一全息圆环15及所述第二全息圆环17均采用半导体工艺制作于所述半导体基片11上；
其中，所述天线模块13、所述第一全息圆环15及所述第二全息圆环17均包括依次串接的SPiN二极管串。
在本发明的一个实施例中，所述天线模块13包括第一SPiN二极管天线臂1301、第二SPiN二极管天线臂1302、同轴馈线1303、第一直流偏置线1304、第五直流偏置线1308、第三直流偏置线1306、第四直流偏置线1307、第五直流偏置线1308、第六直流偏置线1309、第七直流偏置线1310、第八直流偏置线1311；
其中，所述同轴馈线1303的内芯线和外导体分别焊接于所述第一直流偏置线1304和所述第二直流偏置线1305；
所述第一直流偏置线1304、所述第二直流偏置线1305、所述第三直流偏置线1306及所述第四直流偏置线1307沿所述第一SPiN二极管天线臂1301的长度方向分别电连接至所述第一SPiN二极管天线臂1301；
所述第二直流偏置线1305、所述第六直流偏置线1309、所述第七直流偏置线1310及所述第八直流偏置线1311沿所述第二SPiN二极管天线臂1302的长度方向分别电连接至所述第二SPiN二极管天线臂1302。
在本发明的一个实施例中，所述第一SPiN二极管天线臂1301包括依次串接的第一SPiN二极管串w1、第二SPiN二极管串w2及所述第三SPiN二极管串w3，所述第二SPiN二极管天线臂1302包括依次串接的第四SPiN二极管串w4、第五SPiN二极管串w5及所述第六SPiN二极管串w6且所述第一SPiN二极管串w1与所述第六SPiN二极管串w6、所述第二SPiN二极管串w2与所述第五SPiN二极管串w5、所述第三SPiN二极管串w3与所述第四SPiN二极管串w4分别包括同等数量的SPiN二极管。
在本发明的一个实施例中，所述第二全息圆环(17)包括多个呈环状均匀排列的多个第二环形单元(1701)，且所述第一环形单元1501包括第九直流偏置线15011及第七SPiN二极管串w7，所述第九直流偏置线15011电连接至所述第七SPiN二极管串w7的两端。
在本发明的一个实施例中，所述第二全息圆环17包括多个呈环状均匀排列的多个第二环形单元1701，且所述第二环形单元1701包括第十直流偏置线17011及所述第八SPiN二极管串w8，所述第十直流偏置线17011电连接至所述第八SPiN二极管串w8的两端。
在本发明的一个实施例中，所述半导体基片11为SOI基片。
在本发明的一个实施例中，所述SPiN二极管串包括多个SPiN二极管，所述SPiN二极管包括P+区27、N+区26和本征区22，且还包括第一金属接触区23和第二金属接触区24；其中，
所述第一金属接触区23一端电连接所述P+区27且另一端电连接至直流偏置线1304、1305、1306、1307、1308、1309、1310、1311、15011、17011或者相邻的所述SPiN二极管的所述第二金属接触区24，所述第二金属接触区24一端电连接所述N+区26且另一端电连接至所述直流偏置线1304、1305、1306、1307、1308、1309、1310、1311、15011、17011或者相邻的所述SPiN二极管的所述第一金属接触区23。
在本发明的一个实施例中，还包括至少一个第三全息圆环19，设置于所述第二全息圆环17的外侧且采用半导体工艺制作于所述半导体基片11上。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
第一、体积小、剖面低，结构简单、易于加工；
第二、采用同轴电缆作为馈源，无复杂馈源结构；
第三、采用SPiN二极管作为天线的基本组成单元，只需通过控制其导通或断开，即可实现频率的可重构；
第四、采用SPiN二极管作为全息结构的基本组成单元，可以灵活地定义全息结构图形，并提高了全息天线的增益和隐蔽性；
第五、所有组成部分均在半导体基片一侧，易于制版加工。
附图说明
为了清楚说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的一种可重构多层全息天线的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种天线模块的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种第一环形单元的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种第二环形单元的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种SPiN二极管的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种SPiN二极管串的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的另一种可重构多层全息天线的结构示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方案对本发明一种可重构多层全息天线作进一步详细描述。实例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的额部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种可重构多层全息天线的结构示意图，其中，该天线包括：
半导体基片11天线模块13、第一全息圆环15及第二全息圆环17；所述天线模块13、所述第一全息圆环15及所述第二全息圆环17均采用半导体工艺制作于所述半导体基片11上；
请一并参见图2，图2为本发明实施例提供的一种天线模块的结构示意图，所述天线模块13、所述第一全息圆环15及所述第二全息圆环17均包括依次串接的SPiN二极管串。
其中，所述天线模块13包括第一SPiN二极管天线臂1301、第二SPiN二极管天线臂1302、同轴馈线1303、第一直流偏置线1304、第二直流偏置线1305、第三直流偏置线1306、第四直流偏置线1307、第五直流偏置线1308、第六直流偏置线1309、第七直流偏置线1310、第八直流偏置线1311；
其中，所述同轴馈线1303的内芯线和外导体分别焊接于所述第一直流偏置线1304和所述第二直流偏置线1305；
所述第一直流偏置线1304、第五直流偏置线1308、所述第三直流偏置线1306及所述第四直流偏置线1307沿所述第一SPiN二极管天线臂1301的长度方向分别电连接至所述第一SPiN二极管天线臂1301；
所述第二直流偏置线1305、所述第六直流偏置线1309、所述第七直流偏置线1310及所述第八直流偏置线1311沿所述第二SPiN二极管天线臂1302的长度方向分别电连接至所述第二SPiN二极管天线臂1302。
可选地，所述第一SPiN二极管天线臂1301包括依次串接的第一SPiN二极管串w1、第二SPiN二极管串w2及所述第三SPiN二极管串w3，所述第二SPiN二极管天线臂1302包括依次串接的第四SPiN二极管串w4、第五SPiN二极管串w5及所述第六SPiN二极管串w6且所述第一SPiN二极管串w1与所述第六SPiN二极管串w6、所述第二SPiN二极管串w2与所述第五SPiN二极管串w5、所述第三SPiN二极管串w3与所述第四SPiN二极管串w4分别包括同等数量的SPiN二极管。
请一并参见图3，图3为本发明实施例提供的一种第一环形单元的结构示意图，所述第一全息圆环15包括多个呈环状均匀排列的多个第一环形单元1501，且所述第一环形单元1501包括第九直流偏置线15011及第七SPiN二极管串w7，所述第九直流偏置线15011电连接至所述第七SPiN二极管串w7的两端。
请一并参见图4，图4为本发明实施例提供的一种第二环形单元的结构示意图，所述第二全息圆环17包括多个呈环状均匀排列的多个第二环形单元1701，且所述第二环形单元1701包括第十直流偏置线17011及所述第八SPiN二极管串w8，所述第十直流偏置线17011电连接至所述第八SPiN二极管串w8的两端。
上述实施例中，所述半导体基片11为SOI基片。
上述实施例中，所述SPiN二极管串包括多个SPiN二极管，请一并参见图5及图6，图5为本发明实施例提供的一种SPiN二极管的结构示意图，图6为本发明实施例提供的一种SPiN二极管串的结构示意图。每个SPiN二极管串中包括多个SPiN二极管，且这些SPiN二极管串行连接。所述SPiN二极管包括P+区27、N+区26和本征区22，且还包括第一金属接触区23和第二金属接触区24；其中，
所述第一金属接触区23一端电连接所述P+区27且另一端电连接至直流偏置线1304、1305、1306、1307、1308、1309、1310、1311、15011、17011或者相邻的所述SPiN二极管的所述第二金属接触区24，所述第二金属接触区24一端电连接所述N+区26且另一端电连接至所述直流偏置线1304、1305、1306、1307、1308、1309、1310、1311、15011、17011或者相邻的所述SPiN二极管的所述第一金属接触区23。即处于SPiN二极管串的一端的SPiN二极管的金属接触区23连接至直流偏置的正极，处于SPiN二极管串的另一端的SPiN二极管的金属接触区24连接至直流偏置的负极，通过施加直流电压可使整个SPiN二极管串中所有SPiN二极管处于正向导通状态。
进一步地，请参见图7，图7为本发明实施例提供的另一种可重构多层全息天线的结构示意图，该天线还可以包括至少一个第三全息圆环19，设置于所述第二全息圆环17的外侧且采用半导体工艺制作于所述半导体基片11上。
本实施例，通过在半导体基片上制作SPiN二极管，利用SPiN二极管构成源天线和全息结构，体积小、结构简单、易于加工；天线采用同轴电缆作为馈源，无复杂馈源结构；通过直流偏置线上的外加电压即可控制SPiN二极管串的导通或断开，以实现天线的隐身及频率的快速跳变；通过结构可实现目标天线的辐射特性。
实施例二
请再次参见图1-图5，本实施例在上述实施例的基础上，以双层全息天线为例进行详细说明。具体地，该天线可以包括：半导体基片，SPiN二极管天线臂，双层SPiN二极管全息圆环，同轴馈线和直流偏置线，其中SPiN二极管天线臂，双层SPiN二极管全息圆环和直流偏置线采用半导体工艺制作于半导体基片，同轴馈线的内芯线和外导体(屏蔽层)分别焊接于SPiN二极管天线臂的金属触片上且两处焊接点分别接有直流偏置线作为公共负极；SPiN二极管依次首尾相连构成SPiN二极管串，SPiN二极管天线臂由三段SPiN二极管串组成，每一个SPiN二极管串都有直流偏置线外接电压正极；天线臂长度为波长的四分之一。内层全息圆环由八段完全相同的SPiN二极管串近似代替，每段SPiN二极管串的长度近似等于天线的长度，圆环半径由全息结构的公式确定，本发明中圆环半径约为四分之一波长的三倍。其中，全息结构公式为：
其中，r为最内层圆环的半径，为垂直入射平面波与源天线辐射场初始相位差，为电场在方向分量，k为波矢。
由公式可知所述全息结构为一组原点在圆心的同心圆，本发明中半径r可以取四分之三倍的波长。
外层全息圆环由十八段完全相同的SPiN二极管串近似代替，每段SPiN二极管串的长度近似等于天线的长度，内外两层环之间的距离由全息结构的公式确定，本发明中两层环之间距离为一个波长。
半导体基片为Si基SOI半导体片。
SPiN二极管天线臂由三段SPiN二极管串组成，每一个SPiN二极管串都有直流偏置线外接电压正极。可以理解的是，本发明中的天线臂可以由任意数量的SPiN二极管串组成，当然，二极管串包括的SPiN二极管的个数也可以根据实际使用及工艺条件确定，此处不做任何限制。
同轴馈线采用低损耗同轴线缆，同轴馈线的内芯线和外导体(屏蔽层)分别焊接于SPiN二极管天线臂的金属触片上且两处焊接点分别接有直流偏置线作为公共负极。
双层全息圆环由若干段完全相同的SPiN二极管串近似代替，每段SPiN二极管串在天线工作时均处于正向导通状态，从而实现天线辐射特性的定向改变和增益的提高。
直流偏置线可采用化学气相淀积的方法制作于半导体基片上，所用材料如铜、铝等，也可采用高掺杂的多晶硅实现，直流偏置线用于对SPiN二极管串施加直流偏置。
请一并参见图1及图2，该天线由半导体基片11、SPiN二极管天线臂1301和1302、同轴馈线1303、直流偏置线(1306、1307、1308、1304、1305、1309、1310、1311)、内层SPiN二极管全息圆环15、外层SPiN二极管全息圆环17组成，其中SPiN二极管天线臂1301、1302，内层SPiN二极管全息圆环15，外层SPiN二极管全息圆环17和直流偏置线(1306、1307、1308、1304、1305、1309、1310、1311)采用半导体工艺制作于半导体基片，同轴馈线1303的内芯线和外导体(屏蔽层)分别焊接于直流偏置线1304和1305上。
SPiN二极管天线臂1301、1302由SPiN二极管串w1、w2、w3、w4、w5、w6组成，其中w1和w6的长度相等、w2和w5的长度相等、w3和w4的长度相等。
直流偏置线1304和1305分别接至电压负极，直流偏置线组(1308、1309)、直流偏置线组(1307、1310)和直流偏置线组(1306、1311)分别接至电压正极，且任何工作时刻只能有一组直流偏置线接至电压正极，通过控制直流偏置线组的电压即可选择性使SPiN二极管串处于导通状态，导通的SPiN二极管在本征区将产生固态等离子体，其具有类金属特性，可用作天线的辐射结构。当不同的SPiN二极管串工作时，会改变天线的电尺寸长度，从而实现天线工作频率的可重构。
请参见图3，内层SPiN二极管全息圆环15由八段SPiN二极管串w7组成，当天线处于工作状态时，这8段SPiN二极管串均处于正向导通状态。
请参见图4，外层SPiN二极管全息圆环17由十八段SPiN二极管串w8组成，当天线处于工作状态时，这18段SPiN二极管串均处于正向导通状态。
直流偏置线15011位于8段SPiN二极管串两端，为二极管串提供直流偏置；直流偏置线17011位于18段SPiN二极管串两端，为二极管串提供直流偏置。
请参见图5，SPiN二极管由P+区27、N+区26和本征区22组成，金属接触区23位于P+区27处，连接至直流偏置的正极，金属接触区24位于N+区26处，连接至直流偏置的负极，通过施加直流电压可使整个SPiN二极管串中所有SPiN二极管处于正向导通状态。
本实施例，率可重构全息天线体积小、结构简单、易于加工、无复杂馈源结构、频率可快速跳变、提高天线的增益，且天线关闭时将处于电磁波隐身状态，可用于各种跳频电台或设备；由于其所有组成部分均在半导体基片一侧，为平面结构，易于组阵，可用作相控阵天线的基本组成单元。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种可重构多层全息天线(1)，其特征在于，包括：半导体基片(11)、天线模块(13)、第一全息圆环(15)及第二全息圆环(17)；所述天线模块(13)、所述第一全息圆环(15)及所述第二全息圆环(17)均采用半导体工艺制作于所述半导体基片(11)上；
其中，所述天线模块(13)、所述第一全息圆环(15)及所述第二全息圆环(17)均包括依次串接的SPiN二极管串。
2.根据权利要求1所述的天线(1)，其特征在于，所述天线模块(13)包括第一SPiN二极管天线臂(1301)、第二SPiN二极管天线臂(1302)、同轴馈线(1303)、第一直流偏置线(1304)、第二直流偏置线(1305)、第三直流偏置线(1306)、第四直流偏置线(1307)、第五直流偏置线(1308)、第六直流偏置线(1309)、第七直流偏置线(1310)、第八直流偏置线(1311)；
其中，所述同轴馈线(1303)的内芯线和外导体分别焊接于所述第一直流偏置线(1304)和所述第二直流偏置线(1305)；所述第一直流偏置线(1304)、所述第五直流偏置线(1308)、所述第三直流偏置线(1306)及所述第四直流偏置线(1307)沿所述第一SPiN二极管天线臂(1301)的长度方向分别电连接至所述第一SPiN二极管天线臂(1301)；
所述第二直流偏置线(1305)、所述第六直流偏置线(1309)、所述第七直流偏置线(1310)及所述第八直流偏置线(1311)沿所述第二SPiN二极管天线臂(1302)的长度方向分别电连接至所述第二SPiN二极管天线臂(1302)。
3.根据权利要求2所述的天线(1)，其特征在于，所述第一SPiN二极管天线臂(1301)包括依次串接的第一SPiN二极管串(w1)、第二SPiN二极管串(w2)及所述第三SPiN二极管串(w3)，所述第二SPiN二极管天线臂(1302)包括依次串接的第四SPiN二极管串(w4)、第五SPiN二极管串(w5)及所述第六SPiN二极管串(w6)且所述第一SPiN二极管串(w1)与所述第六SPiN二极管串(w6)、所述第二SPiN二极管串(w2)与所述第五SPiN二极管串(w5)、所述第三SPiN二极管串(w3)与所述第四SPiN二极管串(w4)分别包括同等数量的SPiN二极管。
4.根据权利要求1所述的天线(1)，其特征在于，所述第一全息圆环(15)包括多个呈环状均匀排列的多个第一环形单元(1501)，且所述第一环形单元(1501)包括第九直流偏置线(15011)及第七SPiN二极管串(w7)，所述第九直流偏置线(15011)电连接至所述第七SPiN二极管串(w7)的两端。
5.根据权利要求1所述的天线(1)，其特征在于，所述第二全息圆环(17)包括多个呈环状均匀排列的多个第二环形单元(1701)，且所述第二环形单元(1701)包括第十直流偏置线(17011)及所述第八SPiN二极管串(w8)，所述第十直流偏置线(17011)电连接至所述第八SPiN二极管串(w8)的两端。
6.根据权利要求2所述的天线(1)，其特征在于，所述半导体基片(11)为SOI基片。
7.根据权利要求6所述的天线(1)，其特征在于，所述SPiN二极管串包括多个SPiN二极管，所述SPiN二极管包括P+区(27)、N+区(26)和本征区(22)，且还包括第一金属接触区(23)和第二金属接触区(24)；其中，
所述第一金属接触区(23)一端电连接所述P+区(27)且另一端电连接至直流偏置线(1304、1305、1306、1307、1308、1309、1310、1311、15011、17011)或者相邻的所述SPiN二极管的所述第二金属接触区(24)，所述第二金属接触区(24)一端电连接所述N+区(26)且另一端电连接至所述直流偏置线(1304、1305、1306、1307、1308、1309、1310、1311、15011、17011)或者相邻的所述SPiN二极管的所述第一金属接触区(23)。
8.根据权利要求1所述的天线(1)，其特征在于，还包括至少一个第三全息圆环(19)，设置于所述第二全息圆环(17)的外侧且采用半导体工艺制作于所述半导体基片(11)上。
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Cited By (1)
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| CN107611580A (zh) * | 2017-08-17 | 2018-01-19 | 北京遥感设备研究所 | 一种基于固体等离子体的极化可重构天线 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN107611580A (zh) * | 2017-08-17 | 2018-01-19 | 北京遥感设备研究所 | 一种基于固体等离子体的极化可重构天线 |
| CN107611580B (zh) * | 2017-08-17 | 2018-09-07 | 北京遥感设备研究所 | 一种基于固体等离子体的极化可重构天线 |
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