CN108711671B - 一种共口径频率可重构片上缝隙阵列天线及使用方法 - Google Patents
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Abstract
一种共口径频率可重构片上缝隙阵列天线及使用方法。本发明公开了一种频率可重构的片上缝隙阵列天线，包括硅基可重构辐射器层、PCB馈线层、PCB与硅基辐射器的跳线连接结构和金属反射腔；硅基可重构辐射器层包括蚀刻了缝隙的金属层、跨接在金属层的缝隙中的若干表面P‑I‑N二极管(S‑PIN)单元、绝缘隔离层、S‑PIN直流偏置层以及本征硅介质层；PCB馈线层包括了与硅基可重构辐射器层相连接的直流引线、微波馈电装置以及用于硅基可重构辐射器层对齐的结构；反射面层采用金属盒体实现。本发明通过控制跨接在硅基可重构辐射器层上的金属缝隙中的S‑PIN单元的通断，控制阵列天线的工作频率和单元间距，最终实现缝隙阵列天线的频率可重构。同时，采用新型硅基S‑PIN偏置技术，提高可重构天线的辐射特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种频率可重构片上缝隙阵列天线，具体涉及一种采用硅基半导体S-PIN工艺技术的频率可重构片上缝隙阵列天线，属于可重构片上阵列天线技术领域。
背景技术
天线系统作为影响雷达系统和通讯系统性能的核心部件之一，其性能的优良对系统功能有着举足轻重的影响，此基础上，人们希望能用尽可能少的天线满足所有无线系统的要求，然而这些无线电系统的工作频率通常分布在很宽的频带内，实现很宽的频率跨度的可重构可以使得无线电系统的前端更加紧凑，整个系统更加小型化。此外，无线电系统通常采用阵列天线的形式作为无线电发射器。宽频率范围内的阵列天线由于可以满足未来通信系统的需求成为了研究热点和未来的发展趋势。
在共口径的前提下，传统的无线电系统的阵列天线覆盖较宽频带的方式是采用多层微带天线将不同频率的阵列天线放置于不同层面上，再在其中加入馈电装置，天线的结构过于复杂，不同频率之间的通道的互耦难以抑制，需要通过对天线结构实现可重构以满足在不同频率下使用需要。
传统实现天线可重构的方法是通过集总电调元件的加载无源天线结构来实现可重构，但所加载的集总元件数量有限，可重构的自由度低；同时，传统电可重构天线需要精心设计的外部直流偏置电路，否者偏置电路会干扰天线的正常工作，复杂的外部偏置电路会使得可重构天线的装配和调试变得困难。。
故，需要一种新的技术方案以解决上述技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种频率可重构片上缝隙阵列天线，可以有效实现阵列缝隙天线的单元天线的工作频率、相位中心的可重构，使得阵列天线可以在较大的频率跨度上实现可重构。
本发明同时提供上述频率可重构片上缝隙阵列天线的使用方法。
技术方案：为达到上述目的，本发明共口径频率可重构片上缝隙阵列天线可采用如下技术方案：
一种共口径频率可重构片上缝隙阵列天线，包括从上到下依次层叠的硅基可重构辐射器层、PCB馈线层、反射腔体；所述硅基可重构辐射器层包括本征层、覆盖在本征层上的绝缘隔离层，覆盖在绝缘隔离层表面的金属层；所述本征层中设有缝隙，缝隙中设有若干个成一列排列的S-PIN单元以及给S-PIN单元提供直流偏置的金属跳线；通过使若干S-PIN单元中的一部分S-PIN单元导通、而另一个部分S-PIN单元截止，以控制阵列天线的工作频率和S-PIN单元间距，最终实现缝隙阵列天线的频率可重构。
有益效果：本发明通过将硅基可重构辐射器层中设置若干个成一列排列的S-PIN单元，通过对选择对部分S-PIN单元导通而部分S-PIN单元截止而实现缝隙阵列天线的频率可重构，同时可实现了电调结构与辐射结构的单片集成，大大提高了重构的自由度，同时将直流馈电与可重构辐射器一并设计于硅片之上，降低了偏置电路的复杂度和重构天线装配和调试的难度。
进一步的，所述S-PIN设置为N-P-N结构，即中间为P+区、P+区两侧为N+区，且P+区与N+区之间为I区；当激发指定的S-PIN导通时，将该指定的S-PIN中的P+区和N+区的载流子注入I区；原本呈现绝缘介质态的I区变成导通金属态。
进一步的，对S-PIN单元提供直流偏置的金属跳线位于绝缘隔离层内，且金属跳线采用“蛇形弯曲”结构，金属跳线与金属层之间通过绝缘隔离层实现直流绝缘。“蛇形弯曲”结构能够通过弯曲增加直流偏置线的高频扼流能力。
进一步的，所述的PCB馈线层包括了与硅基可重构辐射器层相连接的直流引线、两种状态下的共面波导结构微波馈电装置；通过共面波导结构的射频地与金属层之间的耦合来实现共面波导结构到微带线结构的共地，所述微带线结构为PCB馈线层上的微带线以及覆盖在绝缘隔离层表面的金属层。
进一步的，所述PCB馈线层下方设有金属盒体，反射腔体设置在该金属盒体中。通过金属盒体形成反射腔体，将缝隙天线背向的辐射反射至正向，使得天线的最大增益更大，金属盒体同时给天线提供结构支撑，以确保天线的测试与使用的方便。
进一步的，在PCB馈线层采用了部分区域穿孔的处理，用以加工装配时硅基可重构辐射器层与PCB层之间的绝缘胶的排出
基于上述共口径频率可重构片上缝隙阵列天线，本发明提供的共口径频率可重构片上缝隙阵列天线可采用如下技术方案：
当阵列天线工作在低频工作频段，将少数S-PIN单元正偏导通、多数S-PIN单元反偏截止，多数反偏截止的S-PIN单元形成低频缝隙单元，微波信号通过PCB馈线层耦合到低频缝隙单元中后，将微波信号辐射至自由空间；而当阵列天线工作在高频工作频段，多数S-PIN单元正偏导通，少数S-PIN单元反偏截止，多数正偏导通的S-PIN单元形成高频缝隙单元，微波信号通过PCB馈线层耦合到高频缝隙单元中后，将微波信号辐射至自由空间。
附图说明
图1是本发明频率可重构的片上缝隙阵列天线的整体结构图。
图2是本发明频率可重构的片上缝隙阵列天线的片上辐射器部分的俯视图。
图3是本发明频率可重构的片上缝隙阵列天线的片上辐射器部分的结构分解示意图。
图4是本发明频率可重构的片上缝隙阵列天线的微波馈电结构仰视图示意图。
图5是本发明频率可重构的片上缝隙阵列天线的低频微波馈电结构示意图
图6是本发明频率可重构的片上缝隙阵列天线的高频微波馈电结构示意图
图7是本发明频率可重构的片上缝隙阵列天线的硅基S-PIN单元的俯视示意图。
图8是本发明频率可重构的片上缝隙阵列天线的硅基“背靠背”S-PIN单元对的剖面示意图。
其中，1为硅基可重构辐射器层，2为PCB馈线层，3为反射盒体，4-1、4-2、4-3为低频波段微波馈电线，5-1、5-2、5-3为高频波段微波馈电线，6为用于接正电压的直流偏置线，7为用于接地的直流偏置线，8为排胶孔，9-14为加载在金属缝隙中的S-PIN,15-1、15-2为金丝跳线，16-1为片上开槽结构，17为缝隙阵列天线口面上的金属层，18为绝缘隔离层，19为S-PIN的直流偏置线，20为本征硅层，21为焊盘，22为S-PIN中空穴重掺杂区(P+区)，23为S-PIN中电子重掺杂区(N+区)，24为S-PIN中轻参杂的本征区(I区)。
具体实施方式
如图1至图6所示，一种频率可重构片上缝隙阵列天线，其特征在于，包括从上到下依次叠加的硅基可重构缝隙辐射器层(1)、PCB馈线层(2)、金属反射腔(3)；所述的硅基可重构辐射器层包括了本征硅层上表面覆盖的金属层(17)、金属缝隙中特定位置加载的S-PIN单元(9-14)以及给S-PIN单元施加直流偏置的片上走线(19)和金丝跳线(15-1)、(15-2)等结构，缝隙中加载的S-PIN采用了“背靠背”PIN管的设计，即N-P-N的设置。如图7，直流馈线的片上走线采用“蛇形弯曲”的结构(19)，其一端连接S-PIN单元的P+区(22)，另一端引出到硅基可重构辐射器层的边缘通过焊盘(21)连接金丝跳线(15-1)到PCB馈线层上的直流偏置线(6)，另外还有用于硅基可重构辐射器层对齐的片上开槽标记结构(16-2)以及直流接地结构(7)；所述的PCB馈线层包括了与硅基可重构辐射器相连接的直流偏置引线(23)、CPW形式的两种可重构状态下的微波馈电结构(4-1)、(4-2)、(4-3)、(5-1)、(5-2)、(5-3)以及用于硅基可重构辐射器层对齐的结构(16-1)；反射面采用PCB馈线层下方的金属盒体(3)实现。
如图2、图3所示，当阵列天线工作在低频工作频段，S-PIN(11)和S-PIN(12)被正偏导通、S-PIN(9、10、13、14)反偏截止，此时辐射器层的金属缝隙被分隔成了低频的四个单元缝隙，四路微波信号从信号源通过低频端口通入CPW形式的微波传输线结构(4-1)，通过PCB到硅基可重构辐射器层的转换结构(4-3)，通过阻抗变换结构(4-2)将微波信号耦合到图2中低频单元1、低频单元2、低频单元3、低频单元4中，最终将微波信号辐射至自由空间；而当阵列天线工作在高频工作频段，S-PIN(9、10、13、14)正偏导通，S-PIN(11)和S-PIN(12)反偏截止，此时辐射器层的金属缝隙被分隔成了高频的四个单元缝隙，四路微波信号从信号源通过高频端口5-8通入CPW形式的微波馈电波导结构(5-1)，通过PCB馈线层到硅基可重构辐射器层的转换结构(5-3)，通过阻抗变换结构(5-2)将微波信号耦合到图2中高频单元1、高频单元2、高频单元3、高频单元4中，最终将微波信号辐射至自由空间。在阵列天线工作在高频段时，图2中低频单元1,低频单元2依然存在，但未受激励，同时距离受激励单元较远，对天线阵列的影响较小。
如图4所示，所述的频率可重构的片上缝隙阵列天线的馈电结构中的CPW传输线采用了弯曲走线的形式，使得PCB馈线层上的端口1-8之间的距离可以容纳微波转接头法兰盘的宽度，以便测试。图4中的低频、高频转换结构(4-3)、(5-3)均无需将CPW的地(中间导体两旁的金属)与片上微带的地(17)进行物理连接，两段传输线的共地通过两种传输线的地之间的正对面积产生的电容耦合连接来实现。如图5，低频转换结构(4-3)中，CPW传输线(4-1)的地(4-3-1)“伸入”硅基可重构辐射器层底下一段距离，是为了增大在低频下的CPW的地与微带的地之间的耦合，实现较好的共地。合理调整(4-3-1)“伸入”硅基可重构辐射器层底的距离即可实现较好的信号从PCB至硅基可重构辐射器层的转换。如图6，在高频的转换结构(5-3)中，无需将CPW的地“伸入”硅基可重构辐射器层底下而只增加了CPW的地的宽度(5-3-1)，以此适当增大耦合电容以保证转换结构的有效性。
如图7、图8所示，所述的频率可重构的片上缝隙阵列天线中的硅基S-PIN的偏置结构采用了将S-PIN的偏置线放置在天线口面的金属层(17)的下面的绝缘隔离层(18)之下，通过弯曲偏置线增加其等效电感，增加了偏置结构的扼流性能，提高可重构天线的效率。P+区为重掺杂区，空穴为主要载流子，呈导通特性。N+区为重参杂区，电子为主要载流子，呈导通特性。I区为低参杂区，在未激发状态下呈现绝缘介质状态。当正电压施加到PCB馈线层上的直流偏置线(6)上时，P+区(22)位于高电势，N+区(23)通过Tiw/Pi接触层连接天线金属层(17)、再通过跳线(15-2)连接PCB上的直流偏置线(7)接地。P+区和N+区的载流子会注入I区(24)，原本呈现绝缘介质态的I区变成了导通金属态。如此可以激发指定的S-PIN，使得缝隙天线的长度和位置可重构。
如图1、图2所示，天线的微波馈电波导位于PCB介质板(2)上，而天线位于硅基可重构辐射器层上，二者的叠放需要对准对齐，PCB上的用于对齐的金属线和硅基可重构辐射器层上的用于对齐的槽线(16-2)一并使得该款片上天线的安装时的对齐工作方便有效。此外天线的PCB层设计有通孔(8)用于排胶，在将硅基可重构辐射器层安装到PCB上时，按压硅基可重构辐射器层时多余的绝缘胶会通过通孔排出。
在两个频段分别输入等幅度不等的特定的相位的微波信号可使得天线的主波束实现相控扫描功能。
本发明采用以上技术方案与具有以下技术效果：
1、本发明天线采用了可重构的缝隙天线阵列结构，使得阵列天线可以在如X波段和Ka波段这样的大频率跨度下进行频率可重构。
2、本发明将电调结构和辐射结构单片集成，具有潜在的高重构自由度和更高的集成度。
3、本发明天线所采用的SPIN的直流馈电是通过缝隙阵列天线的天线口面的金属层下方的馈线进行直流馈电的，在有效进行对S-PIN进行直流驱动的同时，不影响天线本身的辐射性能，保证了可重构天线的各项性能的稳定。
4、本发明天线在半导体工艺发展较为成熟的基础上，天线的制作成本较低，具有大频率跨度的可重构特点，在雷达、通信、电子对抗等各个领域有广阔的应用前景。
Claims (8)
1.一种共口径频率可重构片上缝隙阵列天线，其特征在于，包括从上到下依次层叠的硅基可重构辐射器层、PCB馈线层、反射腔体；所述硅基可重构辐射器层包括本征层、覆盖在本征层上的绝缘隔离层，覆盖在绝缘隔离层表面的金属层；所述本征层中设有缝隙，缝隙中设有若干个成一列排列的S-PIN单元以及给S-PIN单元提供直流偏置的金属跳线；通过使若干S-PIN单元中的一部分S-PIN单元导通、而另一个部分S-PIN单元截止，以控制阵列天线的工作频率和S-PIN单元间距，最终实现缝隙阵列天线的频率可重构；所述S-PIN单元设置6个，当阵列天线工作在低频工作频段，2个S-PIN单元正偏导通、4个S-PIN单元反偏截止，此时硅基可重构辐射器层的金属缝隙被分隔成了4个低频缝隙单元；当阵列天线工作在高频工作频段，4个S-PIN单元正偏导通，2个S-PIN单元反偏截止，此时辐射器层的金属缝隙被分隔成了4个高频缝隙单元。
2.根据权利要求1所述的阵列天线，其特征在于：所述S-PIN设置为N-P-N结构，即中间为P+区、P+区两侧为N+区，且P+区与N+区之间为I区；当激发指定的S-PIN导通时，将该指定的S-PIN中的P+区和N+区的载流子注入I区;原本呈现绝缘介质态的I区变成导通金属态。
3.根据权利要求1或2所述的阵列天线，其特征在于：对S-PIN单元提供直流偏置的金属跳线位于绝缘隔离层内，且金属跳线采用“蛇形弯曲”结构，金属跳线与金属层之间通过绝缘隔离层实现直流绝缘。
4.根据权利要求1或2所述的阵列天线，其特征在于：所述的PCB馈线层包括了与硅基可重构辐射器层相连接的直流引线、两种状态下的共面波导结构微波馈电装置；通过共面波导结构的射频地与金属层之间的耦合来实现共面波导结构到微带线结构的共地，所述微带线结构为PCB馈线层上的微带线以及硅基可重构辐射器层上覆盖在绝缘隔离层表面的金属层。
5.根据权利要求4所述的阵列天线，其特征在于：所述PCB馈线层下方设有金属盒体，反射腔体设置在该金属盒体中。
6.根据权利要求5所述的阵列天线，其特征在于：在PCB馈线层采用了部分区域穿孔的处理，用以加工装配时重构辐射器层与PCB层之间的绝缘胶的排出。
7.一种如权利要求1至6中任一项所述的共口径频率可重构片上缝隙阵列天线的使用方法，其特征在于：
当阵列天线工作在低频工作频段，将其中特定S-PIN单元正偏导通、其余S-PIN单元反偏截止，正偏导通的S-PIN单元将缝隙“切割”成低频缝隙单元，微波信号通过PCB馈线层耦合到低频缝隙单元中后，将微波信号辐射至自由空间；而当阵列天线工作在高频工作频段，将其中特定S-PIN单元正偏导通，其余S-PIN单元反偏截止，正偏导通的S-PIN单元“切割”成高频缝隙单元，微波信号通过PCB馈线层耦合到高频缝隙单元中后，将微波信号辐射至自由空间。
8.根据权利要求7所述的使用方法，其特征在于：所述S-PIN单元设置6个，当阵列天线工作在低频工作频段，2个S-PIN单元正偏导通、4个S-PIN单元反偏截止，此时硅基可重构辐射器层的金属缝隙被分隔成了4个低频缝隙单元，四路微波信号从信号源通过低频端口通入共面波导结构形式的微波传输线结构，通过PCB馈线层到硅基可重构辐射器层的转换结构，通过阻抗变换结构将微波信号耦合到4个低频缝隙单元中，最终将微波信号辐射至自由空间；而当阵列天线工作在高频工作频段，4个S-PIN单元正偏导通，2个S-PIN单元反偏截止，此时辐射器层的金属缝隙被分隔成了4个高频缝隙单元，四路微波信号从信号源通过高频端口通入共面波导结构形式的微波馈电波导结构，通过PCB馈线层到硅基可重构辐射器层的转换结构，通过阻抗变换结构将微波信号耦合到4个高频缝隙单元中，最终将微波信号辐射至自由空间。
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