CN112164866B - 一种基于s-pin固态等离子体的高隔离度可重构缝隙天线及其频率重构方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于S‑PIN固态等离子体的高隔离度可重构缝隙天线及其频率重构方法，天线由上至下依次设置金属地板、介质基板和射频PCB板，介质基板的下方、射频PCB板的上方印刷有相互独立工作的第一微带馈线和第二微带馈线，金属地板的上表面中心位置开设有与第一微带馈线和第二微带馈线垂直的水平缝隙，该水平缝隙的不同位置分别填充有相互独立的几段S‑PIN固态等离子体，通过控制S‑PIN固态等离子体的通断改变天线辐射时的等效长度，实现天线频率的可重构。当第一微带馈线工作时，控制第二微带馈线正上方的S‑PIN固态等离子体使其截止，截断了从第一微带馈线馈入的交流信号，本发明实现了天线频率可重构的同时，还实现了高隔离度。
Description
技术领域
本发明涉及天线和半导体技术，具体涉及一种基于S-PIN固态等离子体的高隔离度可重构缝隙天线及其频率重构方法。
背景技术
近年来，缝隙天线因其低剖面，可集成化，容易组阵等特点，受到了人们广泛关注与研究。缝隙天线是在波导、金属板、同轴线或谐振腔上开缝隙，电磁波通过缝隙向外部空间辐射的天线。其特点是重量轻，具有良好的平面结构，易于与安装物体共形。缝隙阵列天线的口径面幅度分布容易控制，口径面利用率高，可以实现低副瓣或极低副瓣。同时，缝隙天线还具有结构牢固、简单紧凑、易于加工、馈电方便、架设简单等优势。
另一方面，随着现代雷达和通信系统的迅速发展，为实现通信、导航、制导、警戒、武器寻的等目的，飞机、轮船、卫星等所需的天线数量越来越多。这使得平台上所负载的重量不断增加，而且搭建天线所需的费用也不断上升，同时，各天线之间的电磁下扰也非常大，严重影响天线的正常工作。因此，人们希望用一个天线来实现多个天线的功能，来减轻平台的负载，这就出现了可重构天线。即采用同一个天线或天线阵，通过动态改变其物理结构或尺寸，使其具有多个天线的功能，相当于多个天线共用一个物理口径。
频率可重构天线一般通过动态切换射频开关，如PIN二极管、MEMS开关或变容二极管工作状态重构天线孔径大小。PIN二极管与普通PIN二极管类似，具有导通与截止特性，通过控制S-PIN管实现其导通(I区为类金属)状态和截止(I区为介质)状态的切换，单个S-PIN二极管的I区由于体积较小不能作为天线的辐射体，当大量S-PIN二极管的组合体同时导通时，其具有宏观的类金属特性，可作为天线的辐射体，起天线辐射器的作用，也可作为馈电线起馈电的作用。同样，当大量S-PIN二极管的组合体同时截止时，其具有宏观的介质特性。但是，S-PIN固态等离子体的结构和射频开关PIN二极管又有着显著的不同，其主要优势在于：1.标准的PIN二极管即使采用平面技术制造，体积仍然庞大。对于高频天线，如毫米波可重构天线，缝隙宽度远小于缝隙长度，则传统的射频开关难以满足要求；2.S-PIN固态等离子体由于导通时载流子浓度高，则根据固态等离子体的高通低阻特性，能工作于频段更宽的范围；3.S-PIN固态等离子体既可以与芯片天线集成，也可以嵌入天线PCB介质基板；4.功率容量高、低损耗、开关切换速度快。
固态等离子体芯片天线可与系统射频前端集成，结构尺寸有更高的设计自由度，方便实现整个系统的多功能化、小型化和集成化，实现真正意义上的片上系统。
发明内容
发明目的：本发明的一个目的是提供一种基于S-PIN固态等离子体的高隔离度可重构缝隙天线，该天线通过控制S-PIN的导通与截止来改变天线辐射时缝隙的等效长度，实现天线的频率可重构。
本发明的另一个目的是提供一种所述天线的频率重构方法。
技术方案：本发明的基于S-PIN固态等离子体的高隔离度可重构缝隙天线，由上至下依次设置金属地板、介质基板和射频PCB板，所述介质基板的下方、射频PCB板的上方印刷有相互独立工作的第一微带馈线和第二微带馈线，金属地板的上表面中心位置开设有一条与第一微带馈线和第二微带馈线垂直的水平缝隙，该水平缝隙的不同位置分别填充有相互独立的几段S-PIN固态等离子体，通过控制S-PIN固态等离子体的通断改变天线辐射时的等效长度，实现天线频率的可重构。
优选的，S-PIN固态等离子体包括位于第二微带馈线的正上方的一段第一S-PIN固态等离子体，以及位于水平缝隙其他位置的几段第二S-PIN固态等离子体。
其中，当第一S-PIN固态等离子体(7)截止且第二S-PIN固态等离子体(8)导通时，第一微带馈线(4)进行馈电，天线工作在第一频段，并且第一S-PIN固态等离子体(7)阻止了第一微带馈线(4)馈进天线的能量从第二微带馈线(5)处流出，减少了天线的能量损耗；当第一S-PIN固态等离子体(7)导通且第二S-PIN固态等离子体(8)截止时，第二微带馈线(5)进行馈电，天线工作在第二频段，实现了天线的频率可重构。
优选的，S-PIN固态等离子体上电连接有位于射频PCB板上的偏置电路，在偏置电路上施加偏置电压，用于改变S-PIN固态等离子体的载流子浓度，使S-PIN固态等离子体结构呈现介质特性或者类金属特性。
该天线的馈电方式采用微带耦合馈电，通过直流电压改变S-PIN固态等离子体的载流子浓度，控制S-PIN固态等离子体呈现介质特性或类金属特性。
优选的，S-PIN固态等离子体的固态等离子体N区上方设有负极金属电极，该负极金属电极与偏置电路负极相连，并通过金属地板相接触进行接地。
优选的，每一段S-PIN固态等离子体都能实现独立控制，工作频段不受控制。
优选的，S-PIN固态等离子体包括I区、N+区、P+区、N+区金属电极、P+区金属电极、二氧化硅隔离层和衬底，I区位于中间位置，N+区和P+区分别位于I区的两侧，N+区金属电极设置于N+区上表面，P+区金属电极设置于P+区上表面，二氧化硅隔离层分别设置于I区上表面，以及I区、N+区和P+区下表面，N+区金属电极、P+区金属电极直接与金属地板相连，衬底位于最底层。
优选的，第一微带馈线和第二微带馈线均竖直设置且跨过水平缝隙，且长度相同。
优选的，第一微带馈线和第二微带馈线距离水平缝隙两端的距离不一致，保证了天线在两个工作频率下的阻抗匹配。
优选的，第一微带馈线和第二微带馈线不同时参与辐射。
本发明的一种基于S-PIN固态等离子体的高隔离度可重构缝隙天线的频率重构方法，该方法采用所述基于S-PIN固态等离子体的高隔离度可重构缝隙天线，通过改变不同位置缝隙上的S-PIN固态等离子体的状态，实现天线的频率可重构，具体的：通过外加直流电压使横跨水平缝隙(6)的第一S-PIN固态等离子体(7)截止，产生介质特性，形成等效辐射缝隙，第二S-PIN固态等离子体(8)导通，产生类金属特性与金属缝隙层的金属地板(1)电连通，形成了一种长度的等效辐射缝隙，改变第一S-PIN固态等离子体(7)和第二S-PIN固态等离子体(8)的状态，形成另一种长度的等效辐射缝隙，以此实现可重构芯片天线的频率重构。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明通过施加偏置电压，改变固态等离子体的特性使其呈导通或截止状态时，缝隙等效长度发生变化，天线频率相应改变，但两条馈电微带线与缝隙两边的距离并不一致，保证了天线在两个工作频率下的阻抗匹配；
(2)本发明中负极金属电极位于固态等离子体N区上方，与外围的偏置电路负极相连，用于施加负极偏置电压，且负极金属电极与上方金属地板相接触，不需要加扼流电感等元件，省去了复杂的偏置电路，简化了馈电网络；
(3)本发明中天线采用微带耦合馈电，不需要设计隔直电路，且整个直流偏置电路设计在射频PCB板上，对天线的辐射性能影响较小；并且两根微带馈线独立工作，不需要设计复杂的馈电网络即可实现不同的馈电模式；
(4)本发明采用S-PIN固态等离子体结构，根据固态等离子体的高通低阻特性，能使天线工作于频段更宽的范围；
(5)本发明采用S-PIN固态等离子体结构，相较于其他动态切换射频开关，具有功率容量高、低损耗、开关切换速度快的优点。
附图说明
图1为本发明天线结构示意图；
图2为S-PIN固态等离子体的结构图；
图3(a)和(b)为本发明天线的频率重构示意图，黑色S-PIN为导通，黑色微带馈线为工作。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明的一种基于S-PIN固态等离子体的高隔离度可重构缝隙天线，包括金属地板1、介质基板2、射频PCB板3、第一微带馈线4、第二微带馈线5、水平缝隙6、位于第二微带馈线的正上方的一段第一S-PIN固态等离子体7，以及位于水平缝隙其他位置的第二S-PIN固态等离子体8。
如图1所示，本发明天线自上而下依次设置金属地板1、介质基板2和射频PCB板3，介质基板2的下方、射频PCB板1的上方印刷有相互独立工作的第一微带馈线4和第二微带馈线5，第一微带馈线4和第二微带馈线5竖直设置且跨过水平缝隙6，第一微带馈线4和第二微带馈线5长度相同，两者不同时馈电，独立工作，当第一微带馈线4馈电时，则第二微带馈线5不工作，此时天线的工作频段在第一频段；当第二微带馈线5馈电时，则第一微带馈线4不工作，此时天线的工作频段在第二频段，以此实现天线的频率可重构。
金属地板1的上表面中间位置开设有一条水平缝隙6，在该水平缝隙6内分别填充了几段相互独立的S-PIN固态等离子体，包括一段位于第二微带馈线的正上方的第一S-PIN固态等离子体7，以及位于缝隙其他位置的第二S-PIN固态等离子体8，当第一S-PIN固态等离子体7截止且第二S-PIN固态等离子体8导通时，第二微带馈线5工作，天线的等效长度变短，工作于第二频段；当第一S-PIN固态等离子体7导通且第二S-PIN固态等离子体8截止时，第一微带馈线4工作，天线的等效长度较长，工作于第一频段，且位于第二微带馈线5正上方的第一S-PIN固态等离子体7的导通可以有效的防止第一微带馈线4馈进天线的能量从第二微带馈线5流走。
第一S-PIN固态等离子体7和第二S-PIN固态等离子体8上电连接有位于射频PCB板3上的偏置电路，在偏置电路上施加偏置电压，用于改变第一S-PIN固态等离子体7和第二S-PIN固态等离子体8的载流子浓度，使第一S-PIN固态等离子体7和第二S-PIN固态等离子体8结构呈现介质特性或者类金属特性。第一S-PIN固态等离子体7和第二S-PIN固态等离子体8的固态等离子体N区上方设有负极金属电极，该负极金属电极与偏置电路负极相连，并通过金属地板1相接触进行接地。本发明中负极金属电极位于固态等离子体N区上方，与外围的偏置电路负极相连，用于施加负极偏置电压；本发明采用了微带耦合馈电，且负极金属电极与上方金属地板相接触，不需要加扼流电感等元件，省去了复杂的偏置电路，简化了馈电网络。
如图2所示，S-PIN固态等离子体(第一S-PIN固态等离子体7和第二S-PIN固态等离子体8)包括I区9、N+区10、P+区11、N+区金属电极12、P+区金属电极13、二氧化硅隔离层14和衬底15，I区9位于中间位置，N+区10和P+区11分别位于I区9的两侧，N+区金属电极12设置于N+区10上表面，P+区金属电极13设置于P+区11上表面，二氧化硅隔离层14分别设置于I区9上表面以及N+区10、P+区11和I区9下表面，N+区金属电极12、P+区金属电极13直接与金属地板1相连。
当施加在第一S-PIN固态等离子体7和第二S-PIN固态等离子体8的金属电极上的偏置电压较小时，整个S-PIN固态等离子体区浓度分布不均匀，且浓度较低，此时整个结构表现为介质特性；随着偏置电压增大到一定值时，整个S-PIN固态等离子体区浓度升高，电导率升高，S-PIN结构处于导通状态，表现为类金属特性。根据偏置电压的不同，S-PIN结构表现为介质或者类金属特性，可动态调节缝隙的长度。通过改变S-PIN单元的工作状态，实现天线频率的可重构。并且通过优化缝隙长度、S-PIN尺寸和微带馈线的位置，使得天线不同频率状态下馈线与缝隙短边的距离始终在二十分之一个波长的位置，保证了天线阻抗匹配。
如图3(a)和(b)所示，当第二微带馈线5正上方的第一S-PIN固态等离子体7导通，且第二S-PIN固态等离子体8截止时，第一微带馈线4进行馈电，此时第一S-PIN固态等离子体7的类金属特性有效的截断了交流信号的传播，实现了高隔离度，第二S-PIN固态等离子体8的介质特性让缝隙长度变长，使得天线工作于第一频段；相反地，当第二微带馈线5正上方的第一S-PIN固态等离子体7截止，且第二S-PIN固态等离子体8导通时，第二微带馈线5进行馈电，此时第二S-PIN固态等离子体8的类金属特性让天线辐射的等效长度变短，使得天线工作于第二频段，实现了频率的可重构。
本发明天线通过通过施加偏置电压，改变固态等离子体的特性使其呈导通或截止状态时，缝隙等效长度发生变化，天线频率相应改变，第一微带馈线4和第二微带馈线5距离水平缝隙两端的距离并不一致，保证了天线在两个工作频率下的阻抗匹配。最重要的是，当天线工作于第一频段时，第二微带馈线5正上方的第一S-PIN固态等离子体7导通，其类金属特性有效的截断了交流信号的传播，实现了高隔离度，大幅降低了功耗，为工程实现降低了难度和复杂度。
Claims (6)
1.一种基于S-PIN固态等离子体的高隔离度可重构缝隙天线，其特征在于：由上至下依次设置金属地板(1)、介质基板(2)和射频PCB板(3)，所述介质基板(2)的下方、射频PCB板(3)的上方印刷有相互独立工作的第一微带馈线(4)和第二微带馈线(5)，金属地板(1)的上表面中心位置开设有一条与第一微带馈线(4)和第二微带馈线(5)垂直的水平缝隙(6)，该水平缝隙的不同位置分别填充有相互独立的几段S-PIN固态等离子体，通过控制S-PIN固态等离子体的通断改变天线辐射时的等效长度，实现天线频率的可重构；
S-PIN固态等离子体包括位于第二微带馈线(5)的正上方的一段第一S-PIN固态等离子体(7)，以及位于水平缝隙(6)其他位置的几段第二S-PIN固态等离子体(8)；当第一S-PIN固态等离子体(7)截止且第二S-PIN固态等离子体(8)导通时，第一微带馈线(4)进行馈电，天线工作在第一频段；当第一S-PIN固态等离子体(7)导通且第二S-PIN固态等离子体(8)截止时，第二微带馈线(5)进行馈电，天线工作在第二频段，实现了天线的频率可重构；
S-PIN固态等离子体上电连接有位于射频PCB板(3)上的偏置电路，在偏置电路上施加偏置电压，用于改变S-PIN固态等离子体的载流子浓度，使S-PIN固态等离子体结构呈现介质特性或者类金属特性；
每一段S-PIN固态等离子体都能实现独立控制，工作频段不受控制；
S-PIN固态等离子体包括I区(9)、N+区(10)、P+区(11)、N+区金属电极(12)、P+区金属电极(13)、二氧化硅隔离层(14)和衬底(15)，I区(9)位于中间位置，N+区(10)和P+区(11)分别位于I区(9)的两侧，N+区金属电极(12)设置于N+区(10)上表面，P+区金属电极(13)设置于P+区(11)上表面，二氧化硅隔离层(14)分别设置于I区上表面，以及I区(9)、N+区(10)和P+区(11)下表面，N+区金属电极(12)、P+区金属电极(13)直接与金属地板(1)相连，衬底(15)位于最底层。
2.根据权利要求1所述的基于S-PIN固态等离子体的高隔离度可重构缝隙天线，其特征在于：S-PIN固态等离子体的固态等离子体N区上方设有负极金属电极，该负极金属电极与偏置电路负极相连，并通过金属地板(1)相接触进行接地。
3.根据权利要求1所述的基于S-PIN固态等离子体的高隔离度可重构缝隙天线，其特征在于：第一微带馈线(4)和第二微带馈线(5)均竖直设置且跨过水平缝隙(6)，且长度相同。
4.根据权利要求1所述的基于S-PIN固态等离子体的高隔离度可重构缝隙天线，其特征在于：第一微带馈线(4)和第二微带馈线(5)距离水平缝隙(6)两端的距离不一致，保证了天线在两个工作频率下的阻抗匹配。
5.根据权利要求1所述的基于S-PIN固态等离子体的高隔离度可重构缝隙天线，其特征在于：第一微带馈线(4)和第二微带馈线(5)不同时参与辐射。
6.一种基于S-PIN固态等离子体的高隔离度可重构缝隙天线的频率重构方法，该方法采用权利要求1-5任一项所述基于S-PIN固态等离子体的高隔离度可重构缝隙天线，其特征在于，通过外加直流电压使横跨水平缝隙(6)的第一S-PIN固态等离子体(7)截止，产生介质特性，形成等效辐射缝隙，第二S-PIN固态等离子体(8)导通，产生类金属特性与金属缝隙层的金属地板(1)电连通，形成了一种长度的等效辐射缝隙，改变第一S-PIN固态等离子体(7)和第二S-PIN固态等离子体(8)的状态，形成另一种长度的等效辐射缝隙，以此实现可重构芯片天线的频率重构。
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