CN204516890U - 基于十字形pin二极管的可编程控制的可重构天线 - Google Patents

基于十字形pin二极管的可编程控制的可重构天线 Download PDF

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刘会刚
张时雨
梁达
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任立儒
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Abstract

一种基于十字形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；天线阵是由M行N列十字形PIN二极管构成的天线阵列；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；可编程电压源输出的多路电压与天线阵中相应的十字形PIN二极管相连，控制十字形PIN二极管的各个臂上的PIN二极管导通与截止，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。本实用新型实现了基于十字形PIN二极管的可编程控制的可重构天线。

Description

基于十字形PIN二极管的可编程控制的可重构天线
技术领域
本实用新型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基于十字形PIN二极管的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。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。传统的可重构天线设计比较复杂，且很难实现天线的隐身。
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。
气体等离子体通道虽然具有一定的隐身性和可重构性，然而形成过程复杂且需要高能激发；由于电离度低且有效传输的电磁波频率需低于等离子体频率，大多工作在兆赫兹频段，基本不能实现高频率电磁波信号的传输、辐射或接收。为了克服上述气体等离子天线的缺点，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。由于硅材料的高折射率，硅基固体等离子天线的尺寸比相同特性的气体等离子天线小了大约3倍，可以在保证精度的同时大规模批量生产。
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，工艺成本低。基于十字形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。
实用新型内容
本实用新型的目的在于解决天线隐身、信息系统的天线数量和天线的可重构问题，提供一种基于十字形PIN二极管的可编程控制的可重构天线，通过控制十字形PIN二极管的各个臂上的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。
本实用新型的目的通过如下技术方案实现：
基于十字形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；所述天线阵是由M行N列(共计M×N个)十字形PIN二极管构成的天线阵列，其中的每个十字形PIN二极管为一个天线单元，每个十字形PIN二极管具有四个臂，四个臂的末端以及中间十字形交叉点上各设有一个电极；伺服电路与可编程电压源连接，可编程电压源输出的5×M×N路电压分别与天线阵中相应的M×N个十字形PIN二极管的5个电极相连，即可编程电压源输出的电压与相同编号的十字形PIN二极管的电极用导线连接在一起(如图5所示)，控制各十字形PIN二极管的各个臂上的PIN二极管的导通与截止。
所述的十字形PIN二极管依次包括由四个臂构成的十字形单晶硅衬底、绝缘埋层、本征硅区和表面钝化层，在十字形本征区和表面钝化层的四个臂的末端各设置有一个P注入区(P区)，在十字形交叉点处设置有一个N注入区(N区)，在每个P注入区或N注入区上各设置有一个金属电极，其中P注入区和N注入区的位置可以对调互换，绝缘埋层是氮化铝，本征硅区与P区和N区各自上方的电极长度之比等于100。
所述的十字形PIN二极管，其中心(十字形交叉点处)为N区，4个臂的另一端即末端为P区(也可以中心为P区，4个臂的另一端为N区)，当某一臂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，十字形PIN二极管的该臂上的PIN二极管导通；当某一臂两端加反向偏置电压(即N区电压大于等于P区电压)时，十字形PIN二极管的该臂上的PIN二极管截止。正向偏置的PIN二极管有一定恒定数值的电流通过，此时PIN二极管的本征区有一定浓度的易于运动的载流子，当本征区载流子浓度达到1018cm-3或以上时，此时本征区具有类似于金属的导电特性。
所述的M行N列(M×N)的十字形PIN二极管阵列中，各个十字形PIN二极管中心位置的N区或P区复用，各个十字形PIN二极管之间用二氧化硅隔离；各十字形PIN二极管也可沿其自身中心点旋转一个角度，形成“X”形PIN二极管。
所述的M行N列(M×N)的十字形PIN二极管阵列中，各行十字形PIN二极管之间的距离可以相等也可以不相等，各列十字形PIN二极管之间的距离可以相等也可以不相等。
所述的M行N列(M×N)十字形PIN二极管阵列中的各个十字形PIN二极管的本征区长度和宽度可以相等也可以不等，且每个十字形PIN二极管的各个臂上的PIN二极管的本征区长度可以相等也可以不等。
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多路电压，可编程电压源输出的每一路电压分别与相应的十字形PIN二极管的各个电极相连接，即可编程电压源输出的电压与相同编号的十字形PIN二极管的电极用导线连接在一起(如图5所示)，控制各个十字形PIN二极管各个臂上的PIN二极管的导通或截止，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。
本实用新型的优点和有益效果是：
上述基于十字形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。控制各个十字形PIN二极管各个臂上的PIN二极管的导通或截止，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。从而降低传统可重构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。与传统的基于横向PIN二极管的天线阵相比实现相同功能的天线阵所需的偏置电压更少，伺服电路更为简单、天线系统控制更加灵活，功耗更低。
附图说明
图1是十字形PIN二极管的三维立体示意图。
图2是十字形PIN二极管的俯视图。
图3是伺服电路和可编程电压源。
图4是M行N列的十字形PIN二极管阵列。
图5是本实用新型提供的基于十字形PIN二极管的可编程控制的可重构天线原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。
实施例1：
如图5所示基于十字形PIN二极管的可编程控制的可重构天线，它包括伺服电路15、可编程电压源16和M行N列(共计M×N个)的十字形PIN二极管构成的天线阵列17。
伺服电路15对可编程电压源16进行编程控制(参见图3)，使可编程电压源16输出符合编程要求的5×M×N路电压；可编程电压源输出的5×M×N路电压分别与天线阵列17(参见图4)中相应M行N列(共计M×N个)的十字形PIN二极管14上的5个电极相连，即可编程电压源16输出的电压与相同编号的十字形PIN二极管14的电极用导线连接在一起(如输出电压Vi,j,0，Vi,j,1，Vi,j,2，Vi,j,3，Vi,j,4，分别与第i行第j列的十字形PIN二极管14的5个电极连接)，如图5所示，控制十字形PIN二极管14的导通与截止，实现可编程控制的频率可重构天线。
如图1、图2所示，十字形PIN二极管14依次包括由四个臂构成的十字形单晶硅衬底1、绝缘埋层6、本征区(包括本征区2、本征区3、本征区4和本征区5构成十字形)和表面钝化层13，在十字形本征区和表面钝化层的四个臂的末端各设置有一个P注入区(包括P注入区7、P注入区8、P注入区9和P注入区10)，在十字形交叉点处设置有一个N注入区11，在每个P注入区或N注入区上各设置有一个金属电极12，其中的P注入区和N注入区的位置可以对调互换。
当十字形PIN二极管14的某一臂(此处以左臂为例，其他各臂结果相同)上的PIN二极管两端加正向偏置电压时，即P区9的电压高于N区11的电压一定数值，十字形PIN二极管14的左臂上的PIN二极管导通；当十字形PIN二极管14两端加反向偏置电压时，即N区11的电压大于等于P区9的电压时，十字形PIN二极管14的左臂上的PIN二极管截止。正向导通的十字形PIN二极管14的左臂上的PIN二极管有一定数值的恒定电流流过，此时本征区4含有一定数量的易于运动的载流子。当本征区4的载流子浓度需达到1018cm-3或以上时，此时本征区4具有类金属的导电特性。
为了方便描述，假设M行N列(共计M×N个)的十字形PIN二极管阵列17中所有的十字形PIN二极管14的4个臂上的PIN二极管的本征区长度都相等。
如图5所示，不失一般性，伺服电路15对可编程电压源16(共计5×M×N路输出)进行编程控制，使可编程电压源16输出5路一定数值的电压，分别为Vi,j,0，Vi,j,1，Vi,j,2，Vi,j,3，Vi,j,4，其中Vi,j,2>Vi,j,0>Vi,j,1＝Vi,j,3＝Vi,j,4，5路电压分别连接到第i行第j列的十字形PIN二极管14的5个电极上，其中Vi,j,0连接到N区11上的电极，Vi,j,1连接到P区8上的电极，Vi,j,2连接到P区9上的电极，Vi,j,3连接到P区7上的电极，Vi,j,4连接到P区10上的电极，可编程电压源16其他所有输出端输出的电压值都等于零。因此，此时M行N列的十字形PIN二极管阵列17中只有第i行第j列的十字形PIN二极管14的左臂的PIN二极管导通且其本征区4具有类金属的导电特性。若此时在第i行第j列的十字形PIN二极管14的左臂上的PIN二极管的P注入区(P区)9的金属电极12施加激励源，此时就形成了一个有效电长度等于本征区4长度的行波直线天线。
若此时保持其他条件不变，伺服电路15对可编程电压源16进行编程控制，使可编程电压源16输出5路一定数值的电压，分别为Vi,j,0，Vi,j,1，Vi,j,2，Vi,j,3，Vi,j,4，其中Vi,j,2＝Vi,j,3>Vi,j,0>Vi,j,1＝Vi,j,4，5路电压分别连接到第i行第j列的十字形PIN二极管14的5个电极上，其中Vi,j,0连接到N区11上的电极，Vi,j,1连接到P区8上的电极，Vi,j,2连接到P区9上的电极，Vi,j,3连接到P区7上的电极，Vi,j,4连接到P区10上的电极，可编程电压源16其他所有输出端输出的电压值都等于零。因此，此时M行N列的十字形PIN二极管阵列17中只有第i行第j列的十字形PIN二极管14的左臂和右臂上的PIN二极管导通且其本征区2和本征区4具有类金属的导电特性。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本征区4加上本征区2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，这种基于十字形PIN二极管的可编程控制的可重构天线，它包括伺服电路15、可编程电压源16和M行N列的十字形PIN二极管阵列17。
伺服电路15对可编程电压源16进行编程控制，使可编程电压源16输出符合编程要求的多路电压；可编程电压源16输出的多路电压与天线阵中相应M行N列的十字形PIN二极管阵列17相连，即可编程电压源16输出的电压与相同编号的十字形PIN二极管14的电极用导线连接在一起，控制十字形PIN二极管14的导通与截止，可实现可编程控制的方向图可重构天线。
为了方便描述，假设M行N列的十字形PIN二极管阵列17中所有的十字形PIN二极管14的4个臂上的PIN二极管的本征区长度都相等。
如图5所示，不失一般性，伺服电路15对可编程电压源16进行编程控制，使可编程电压源16输出5路一定数值的电压，分别为Vi,j,0，Vi,j,1，Vi,j,2，Vi,j,3，Vi,j,4，其中Vi,j,2>Vi,j,0>Vi,j,1＝Vi,j,3＝Vi,j,4，5路电压分别连接到第i行第j列的十字形PIN二极管14的5个电极上，其中Vi,j,0连接到N区11上的电极，Vi,j,1连接到P区8上的电极，Vi,j,2连接到P区9上的电极，Vi,j,3连接到P区7上的电极，Vi,j,4连接到P区10上的电极，可编程电压源16其他所有输出端输出的电压值都等于零。因此，此时M行N列的十字形PIN二极管阵列17中只有第i行第j列的十字形PIN二极管14的左臂的PIN二极管导通且其本征区4具有类金属的导电特性。若此时在第i行第j列的十字形PIN二极管14的N注入区(N区)11的金属电极12施加激励源，此时就形成了一个有效电长度等于本征区4长度的行波直线天线。
若此时保持其他条件不变，伺服电路15对可编程电压源16进行编程控制，使可编程电压源16输出5路一定数值的电压，分别为Vi,j,0，Vi,j,1，Vi,j,2，Vi,j,3，Vi,j,4，其中Vi,j,1>Vi,j,0>Vi,j,2＝Vi,j,3＝Vi,j,4，5路电压分别连接到第i行第j列的十字形PIN二极管14的5个电极上，其中Vi,j,0连接到N区11上的电极，Vi,j,1连接到P区8上的电极，Vi,j,2连接到P区9上的电极，Vi,j,3连接到P区7上的电极，Vi,j,4连接到P区10上的电极，可编程电压源16其他所有输出端输出的电压值都等于零。因此，此时M行N列的十字形PIN二极管阵列17中只有第i行第j列的十字形PIN二极管14的上臂上的PIN二极管导通且其本征区3具有类金属的导电特性。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本征区3长度的行波直线天线，天线的方向图偏转了90度。实现了可编程控制的方向图可重构天线。通过类似的方法也可实现其他的方向图可重构天线。
实施例3：
如图5所示，这种基于十字形PIN二极管的可编程控制的可重构天线，它包括伺服电路15、可编程电压源16和M行N列的十字形PIN二极管阵列17。
伺服电路15对可编程电压源16进行编程控制，使可编程电压源16输出符合编程要求的多路电压；可编程电压源16输出的多路电压与天线阵中相应M行N列的十字形PIN二极管阵列17相连，即可编程电压源16输出的电压与相同编号的十字形PIN二极管14的电极用导线连接在一起，控制十字形PIN二极管14的导通与截止，可实现不同的直线阵天线。
为了方便描述，假设M行N列的十字形PIN二极管阵列17中相邻两列之间的距离都相等；假设M行N列的十字形PIN二极管阵列17中所有的十字形PIN二极管14的4个臂上的PIN二极管的本征区长度都相等，且各个臂上的PIN二极管的本征区2、3、4、5的长度都等于λ/2，λ为天线的工作波长。
如图5所示，不失一般性，伺服电路15对可编程电压源16进行编程控制，使可编程电压源16输出10路一定数值的电压，分别为Vi,j,0，Vi,j,1，Vi,j,2，Vi,j,3，Vi,j,4，Vi,j+1,0，Vi,j+1,1，Vi,j+1,2，Vi,j+1,3，Vi,j+1,4，其中Vi,j,2＝Vi,j,3>Vi,j,0>Vi,j,1＝Vi,j,4，Vi,j+1,2＝Vi,j,+1,3>Vi,j+1,0>Vi,j+1,1＝Vi,j+1,4，Vi,j,0、Vi,j,1、Vi,j,2、Vi,j,3、Vi,j,4分别连接到第i行第j列的十字形PIN二极管14的5个电极上，其中Vi,j,0连接到N区11上的电极，Vi,j,1连接到P区8上的电极，Vi,j,2连接到P区9上的电极，Vi,j,3连接到P区7上的电极，Vi,j,4连接到P区10上的电极；Vi,j+1,0、Vi,j+1,1、Vi,j+1,2、Vi,j+1,3、Vi,j+1,4分别连接到第i行第j+1列的十字形PIN二极管14的5个电极上，其中Vi,j+1,0连接到N区11上的电极，Vi,j+1,1连接到P区8上的电极，Vi,j+1,2连接到P区9上的电极，Vi,j+1,3连接到P区7上的电极，Vi,j+1,4连接到P区10上的电极；可编程电压源16其他所有输出端输出的电压值都等于零。因此，此时M行N列的十字形PIN二极管阵列17中只有第i行的第j列和第j+1列的十字形PIN二极管14的左臂和右臂上的PIN二极管导通且其本征区2和本征区4具有类金属的导电特性。
若此时在第i行的第j列和第j+1列的十字形PIN二极管14的N注入区(N区)11上方的金属电极12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15对可编程电压源16进行编程控制，使可编程电压源16输出15路一定数值的电压，分别为Vi,j-1,0，Vi,j-1,1，Vi,j-1,2，Vi,j-1,3，Vi,j-1,4，Vi,j,0，Vi,j,1，Vi,j,2，Vi,j,3，Vi,j,4，Vi,j+1,0，Vi,j+1,1，Vi,j+1,2，Vi,j+1,3，Vi,j+1,4，其中Vi,j-1,2＝Vi,j-1,3>Vi,j-1,0>Vi,j-1,1＝Vi,j-1,4，Vi,j,2＝Vi,j,3>Vi,j,0>Vi,j,1＝Vi,j,4，Vi,j+1,2＝Vi,j,+1,3>Vi,j+1,0>Vi,j+1,1＝Vi,j+1,4。Vi,j-1,0、Vi,j-1,1、Vi,j-1,2、Vi,j-1,3、Vi,j-1,4分别连接到第i行第j-1列的十字形PIN二极管14的5个电极上，其中Vi,j-1,0连接到N区11上的电极，Vi,j-1,1连接到P区8上的电极，Vi,j-1,2连接到P区9上的电极，Vi,j-1,3连接到P区7上的电极，Vi,j-1,4连接到P区10上的电极；Vi,j,0、Vi,j,1、Vi,j,2、Vi,j,3、Vi,j,4分别连接到第i行第j列的十字形PIN二极管14的5个电极上，其中Vi,j,0连接到N区11上的电极，Vi,j,1连接到P区8上的电极，Vi,j,2连接到P区9上的电极，Vi,j,3连接到P区7上的电极，Vi,j,4连接到P区10上的电极；Vi,j+1,0、Vi,j+1,1、Vi,j+1,2、Vi,j+1,3、Vi,j+1,4分别连接到第i行第j+1列的十字形PIN二极管14的5个电极上，其中Vi,j+1,0连接到N区11上的电极，Vi,j+1,1连接到P区8上的电极，Vi,j+1,2连接到P区9上的电极，Vi,j+1,3连接到P区7上的电极，Vi,j+1,4连接到P区10上的电极；可编程电压源16其他所有输出端输出的电压值都等于零。
因此，此时M行N列的十字形PIN二极管阵列17中只有第i行的第j-1列、第j列和第j+1列的十字形PIN二极管14的左臂和右臂上的PIN二极管导通且其本征区2和本征区4具有类金属的导电特性。
若此时在第i行的第j-1列、第j列和第j+1列的十字形PIN二极管14的N注入区(N区)11上方的金属电极12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4：
如图5所示，这种基于十字形PIN二极管的可编程控制的可重构天线，它包括伺服电路15、可编程电压源16和M行N列的十字形PIN二极管阵列17。
伺服电路15对可编程电压源16进行编程控制，使可编程电压源16输出符合编程要求的多路电压；可编程电压源16输出的多路电压与天线阵中相应M行N列的十字形PIN二极管阵列17相连，即可编程电压源16输出的电压与相同编号的十字形PIN二极管14的电极用导线连接在一起，控制十字形PIN二极管14的导通与截止，可实现不同的直线阵天线。
为了方便描述，假设M行N列的十字形PIN二极管阵列17中相邻两列之间的距离都相等；假设M行N列的十字形PIN二极管阵列17中所有的十字形PIN二极管14的4个臂上的PIN二极管的本征区长度都相等，且各个臂上的PIN二极管的本征区2、3、4、5的长度都等于λ/2，λ为天线的工作波长。
如图5所示，不失一般性，伺服电路15对可编程电压源16进行编程控制，使可编程电压源16输出10路一定数值的电压，分别为Vi,j,0，Vi,j,1，Vi,j,2，Vi,j,3，Vi,j,4，Vi,j+1,0，Vi,j+1,1，Vi,j+1,2，Vi,j+1,3，Vi,j+1,4，其中Vi,j,1＝Vi,j,4>Vi,j,0>Vi,j,2＝Vi,j,3，Vi,j+1,1＝Vi,j+1,4>Vi,j+1,0>Vi,j+1,2
＝Vi,j,+1,3，Vi,j,0、Vi,j,1、Vi,j,2、Vi,j,3、Vi,j,4分别连接到第i行第j列的十字形PIN二极管14的5个电极上，其中Vi,j,0连接到N区11上的电极，Vi,j,1连接到P区8上的电极，Vi,j,2连接到P区9上的电极，Vi,j,3连接到P区7上的电极，Vi,j,4连接到P区10上的电极；Vi,j+1,0、Vi,j+1,1、Vi,j+1,2、Vi,j+1,3、Vi,j+1,4分别连接到第i行第j+1列的十字形PIN二极管14的5个电极上，其中Vi,j+1,0连接到N区11上的电极，Vi,j+1,1连接到P区8上的电极，Vi,j+1,2连接到P区9上的电极，Vi,j+1,3连接到P区7上的电极，Vi,j+1,4连接到P区10上的电极；可编程电压源16其他所有输出端输出的电压值都等于零。因此，此时M行N列的十字形PIN二极管阵列17中只有第i行的第j列和第j+1列的十字形PIN二极管14的上臂和下臂上的PIN二极管导通且其本征区3和本征区5具有类金属的导电特性。
若此时在第i行的第j列和第j+1列的十字形PIN二极管14的N注入区(N区)11上方的金属电极12施加激励源，此时就形成了一个平行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15对可编程电压源16进行编程控制，使可编程电压源16输出15路一定数值的电压，分别为Vi,j-1,0，Vi,j-1,1，Vi,j-1,2，Vi,j-1,3，Vi,j-1,4，Vi,j,0，Vi,j,1，Vi,j,2，Vi,j,3，Vi,j,4，Vi,j+1,0，Vi,j+1,1，Vi,j+1,2，Vi,j+1,3，Vi,j+1,4，其中Vi,j-1,1＝Vi,j-1,4>Vi,j-1,0>Vi,j-1,2＝Vi,j-1,3，Vi,j,1＝Vi,j,4>Vi,j,0>Vi,j,2＝Vi,j,3，Vi,j+1,1＝Vi,j+1,4>Vi,j+1,0>Vi,j+1,2＝Vi,j,+1,3，Vi,j-1,0、Vi,j-1,1、Vi,j-1,2、Vi,j-1,3、Vi,j-1,4分别连接到第i行第j-1列的十字形PIN二极管14的5个电极上，其中Vi,j-1,0连接到N区11上的电极，Vi,j-1,1连接到P区8上的电极，Vi,j-1,2连接到P区9上的电极，Vi,j-1,3连接到P区7上的电极，Vi,j-1,4连接到P区10上的电极；Vi,j,0、Vi,j,1、Vi,j,2、Vi,j,3、Vi,j,4分别连接到第i行第j列的十字形PIN二极管14的5个电极上，其中Vi,j,0连接到N区11上的电极，Vi,j,1连接到P区8上的电极，Vi,j,2连接到P区9上的电极，Vi,j,3连接到P区7上的电极，Vi,j,4连接到P区10上的电极；Vi,j+1,0、Vi,j+1,1、Vi,j+1,2、Vi,j+1,3、Vi,j+1,4分别连接到第i行第j+1列的十字形PIN二极管14的5个电极上，其中Vi,j+1,0连接到N区11上的电极，Vi,j+1,1连接到P区8上的电极，Vi,j+1,2连接到P区9上的电极，Vi,j+1,3连接到P区7上的电极，Vi,j+1,4连接到P区10上的电极；可编程电压源16其他所有输出端输出的电压值都等于零。
因此，此时M行N列的十字形PIN二极管阵列17中只有第i行的第j-1列、第j列和第j+1列的十字形PIN二极管14的上臂和下臂上的PIN二极管导通且其本征区3和本征区5具有类金属的导电特性。
若此时在第i行的第j-1列、第j列和第j+1列的十字形PIN二极管14的N注入区(N区)11上方的金属电极12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。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行或列的十字形PIN二极管的某臂上的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5：
如图5所示，这种基于十字形PIN二极管的可编程控制的可重构天线，它包括伺服电路15、可编程电压源16和M行N列的十字形PIN二极管阵列17。
伺服电路15对可编程电压源16进行编程控制，使可编程电压源16输出符合编程要求的多路电压；可编程电压源16输出的多路电压与天线阵中相应M行N列的十字形PIN二极管阵列17相连，即可编程电压源16输出的电压与相同编号的十字形PIN二极管14的电极用导线连接在一起，控制十字形PIN二极管14的导通与截止，可实现不同排列形状的平面阵天线。
如图1所示，十字形PIN二极管14包括单晶硅衬底1、本征区2、本征区3、本征区4、本征区5、绝缘埋层6、P注入区7、P注入区8、P注入区9、P注入区10、N注入区(或P注入区)11、金属电极12和表面钝化层13。
当十字形PIN二极管14的某一臂(此处以左臂为例)上的PIN二极管两端加正向偏置电压时，即P区9的电压高于N区11的电压一定数值，十字形PIN二极管14的左臂上的PIN二极管导通；当十字形PIN二极管14两端加反向偏置电压时，即N区11的电压大于等于P区9的电压时，十字形PIN二极管14的左臂上的PIN二极管截止。正向导通的十字形PIN二极管14的左臂上的PIN二极管有一定数值的恒定电流流过，此时本征区4含有一定数量的易于运动的载流子。当本征区4的载流子浓度需达到1018cm-3或以上时，此时本征区4具有类金属的导电特性。
为了方便描述，假设M行N列的十字形PIN二极管阵列17中相邻两列之间的距离都相等；假设M行N列的十字形PIN二极管阵列17中所有的十字形PIN二极管14的4个臂上的PIN二极管的本征区长度都相等，且各个臂上的PIN二极管的本征区2、3、4、5的长度都等于λ/2，λ为天线的工作波长。
如图5所示，不失一般性，伺服电路15对可编程电压源16进行编程控制，使可编程电压源16输出20路一定数值的电压，分别为Vi-1,j,0，Vi-1,j,1，Vi-1,j,2，Vi-1,j,3，Vi-1,j,4，Vi,j-1,0，Vi,j-1,1，Vi,j-1,2，Vi,j-1,3，Vi,j-1,4，Vi,j,0，Vi,j,1，Vi,j,2，Vi,j,3，Vi,j,4，Vi,j+1,0，Vi,j+1,1，Vi,j+1,2，Vi,j+1,3，Vi,j+1,4，其中Vi-1,j,2＝Vi-1,j,3>Vi-1,j,0>Vi-1,j,1＝Vi-1,j,4，Vi,j-1,2＝Vi,j-1,3>Vi,j-1,0>Vi,j-1,1＝Vi,j-1,4，Vi,j,2＝Vi,j,3>Vi,j,0>Vi,j,1＝Vi,j,4，Vi,j+1,2＝Vi,j+1,3>Vi,j+1,0>Vi,j+1,1＝Vi,j+1,4，Vi-1,j,0、Vi-1,j,1、Vi-1,j,2、Vi-1,j,3、Vi-1,j,4分别连接到第i-1行第j列的十字形PIN二极管14的5个电极上，其中Vi-1,j,0连接到N区11上的电极，Vi-1,j,1连接到P区8上的电极，Vi-1,j,2连接到P区9上的电极，Vi-1,j,3连接到P区7上的电极，Vi-1,j,4连接到P区10上的电极；Vi,j-1,0、Vi,j-1,1、Vi,j-1,2、Vi,j-1,3、Vi,j-1,4分别连接到第i行第j-1列的十字形PIN二极管14的5个电极上，其中Vi,j-1,0连接到N区11上的电极，Vi,j-1,1连接到P区8上的电极，Vi,j-1,2连接到P区9上的电极，Vi,j-1,3连接到P区7上的电极，Vi,j-1,4连接到P区10上的电极；Vi,j,0、Vi,j,1、Vi,j,2、Vi,j,3、Vi,j,4分别连接到第i行第j列的十字形PIN二极管14的5个电极上，其中Vi,j,0连接到N区11上的电极，Vi,j,1连接到P区8上的电极，Vi,j,2连接到P区9上的电极，Vi,j,3连接到P区7上的电极，Vi,j,4连接到P区10上的电极；Vi,j+1,0、Vi,j+1,1、Vi,j+1,2、Vi,j+1,3、Vi,j+1,4分别连接到第i行第j+1列的十字形PIN二极管14的5个电极上，其中Vi,j+1,0连接到N区11上的电极，Vi,j+1,1连接到P区8上的电极，Vi,j+1,2连接到P区9上的电极，Vi,j+1,3连接到P区7上的电极，Vi,j+1,4连接到P区10上的电极；可编程电压源16其他所有输出端输出的电压值都等于零。因此，此时M行N列的十字形PIN二极管阵列17中只有第i-1行的第j列、第i行的第j-1列、第i行的第j列和第i行的第j+1列的十字形PIN二极管14的左臂和右臂上的PIN二极管导通且其本征区2和本征区4具有类金属的导电特性。
若此时在第i-1行的第j列的十字形PIN二极管14的N注入区(N区)11上的金属电极12和第i行的第j-1列的十字形PIN二极管14的N注入区(N区)11上的金属电极12和第i行的第j列的十字形PIN二极管14的N注入区(N区)11上的金属电极12和第i行的第j+1列的十字形PIN二极管14N注入区(N区)11上的金属电极12施加激励源，此时就形成了一个平面阵天线。通过类似的方法也可实现其他不同形状排列的平面阵天线。
实施例6：
伺服电路15对可编程电压源16进行编程控制，使可编程电压源16输出符合编程要求的多路电压；可编程电压源输出的多路电压与天线阵中相应M行N列的十字形PIN二极管阵列17相连，控制十字形PIN二极管14的各个臂上的PIN二极管导通与截止，可以按照上述的思路进行扩展，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。

Claims (6)

1.基于十字形PIN二极管的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、可编程电压源和天线阵；所述天线阵是由M行N列共计M×N个十字形PIN二极管构成的天线阵列，其中的每个十字形PIN二极管为一个天线单元，每个十字形PIN二极管具有四个臂，四个臂的末端以及中间十字形交叉点上各设有一个电极；伺服电路与可编程电压源连接，可编程电压源输出的5×M×N路电压分别与天线阵中相应的M×N个十字形PIN二极管的5个电极相连。
2.根据权利要求1所述的基于十字形PIN二极管的可编程控制的可重构天线，其特征在于，所述的十字形PIN二极管依次包括由四个臂构成的十字形单晶硅衬底、绝缘埋层、本征硅区和表面钝化层，在十字形本征区和表面钝化层的四个臂的末端各设置有一个P注入区，在十字形交叉点处设置有一个N注入区，在每个P注入区或N注入区上各设置有一个金属电极，其中P注入区和N注入区的位置可以对调互换，绝缘埋层是氮化铝，本征硅区与P区和N区各自上方的电极长度之比要等于100。
3.根据权利要求1所述的基于十字形PIN二极管的可编程控制的可重构天线，其特征在于，所述的M行N列的十字形PIN二极管阵列中，各列十字形PIN二极管之间的距离可以相等也可以不等。
4.根据权利要求1所述的基于十字形PIN二极管的可编程控制的可重构天线，其特征在于，所述的M行N列的十字形PIN二极管阵列中，各行十字形PIN二极管之间的距离可以相等也可以不相等。
5.根据权利要求1至4任一项所述的基于十字形PIN二极管的可编程控制的可重构天线，其特征在于，所述的M行N列的十字形PIN二极管阵列中，各个十字形PIN二极管中心位置的N区或P区复用，各个十字形PIN二极管之间用二氧化硅隔离；各十字形PIN二极管也可沿其自身中心点旋转一个角度，形成“X”形PIN二极管。
6.根据权利要求1至4任一项所述的基于十字形PIN二极管的可编程控制的可重构天线，其特征在于，所述的M行N列十字形PIN二极管阵列中的各个十字形PIN二极管的本征区长度和宽度可以相等也可以不等，且每个十字形PIN二极管的各个臂上的PIN二极管的本征区长度可以相等也可以不等。
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