CN208299015U - 基于分布式直接驱动阵列的可重构多功能天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型主要属于天线技术领域，具体涉及一种基于分布式直接驱动阵列的可重构多功能天线。所述可重构多功能天线包括：半导体等离子体基本单元(101)和用于控制每一个所述半导体等离子体基本单元的等离子体状态或非等离子体状态的分布式直接驱动阵列电路(201)；所述半导体等离子体基本单元和所述分布式直接驱动阵列电路集成于同一块介质基板(106)上，位于天线介质基板(106)的同一表面。所述多功能天线可快速地、动态地控制构成平面阵列各辐射单元的形状、大小和应该在的正确位置，实现天线频率的可重构、极化的可重构、波束控制和增益敏捷的可重构、旁瓣的位置及其相对电平的可重构以及上述的各种组合。

Description

基于分布式直接驱动阵列的可重构多功能天线

技术领域

本实用新型主要属于天线技术领域，与快速捷变多功能的天线有关，具体涉及一种基于分布式直接驱动阵列的可重构多功能天线。

背景技术

在最近的几十年中，可重构的多功能天线已经成为一个业内人士普遍感兴趣的热点研究领域，民用和军事上对于全新无线通信技术和雷达技术与日俱增的要求也促进了这一研究领域的迅猛发展。不同种类的可重构技术和实现途径已被研究并被实践所证实是行之有效的。

天线种类有上万种，每种天线都有其本身独特的功能和应用领域，如果把这上万种天线的功能都集成在一个天线上，此天线就变成了万能型的天线。特征天线电性能的参数是工作频率、极化、增益、主波束指向、辐射方向图、旁瓣的位置和相对电平等，因此，可重构包括频率的可重构(多频段工作)、极化的可重构(线极化、圆极化、椭圆极化)、波束控制和增益敏捷的可重构(波束扫描)、旁瓣的位置及其相对电平的可重构(抗干扰)以及上述的各种组合。

天线可重构的方法也是多种多样的，有用密集阵列借助控制算法使之稀疏化的方法。例如，美国kymeta公司的液晶超材料天线，虽然这种方法可达到对于主波束的扫描和对于极化的可重构，但是它的冗余单元数太多，在某一时刻，只用到一部分的辐射单元，并且即便这样，其被用到的辐射单元的相位也不能得到精确地控制，致使这种天线的效率不高，并且切换时间需要几毫秒，在有些应用中，这一切换时间是不能令人接受的。另外也有用微波PIN二极管、砷化镓晶体管、变容二极管和MEMS作为开关装置来对天线进行可重构，但是这种可重构的能力和功能有限，尤其是二极管是非线性原件，会产生某些交调。此外，也有用机械的方法使天线形状发生改变从而使天线辐射方向图发生变化，但这种方法会使天线所占的空间变大，天线也会变得太重。

南开大学、南京航天航空大学和西安电子科技大学等单位开展了横向PIN固态等离子体可重构天线的研究，但都是基于硅介质基板的解决方案，不仅在工艺实现上成本高，而且受到半导体产线能力和硅片制造工艺限制了其尺寸不能做的很大；同时，上述方案并没有提出独立驱动单个等离子体的创新性技术解决方案。例如南开大学的《基于网格形横向PIN二极管的可编程控制的可重构天线》中，只能以一组(最少4个，2×2个)等离子体作为基本单元进行天线设计和驱动，所有等离子体单元均需要独立的电源线由共用的可编程电压源直接驱动，但并未给出具体的可行性工艺实施方案，在需要驱动的等离子体单元数目众多时，该发明的驱动电路设计将会十分复杂，对器件要求更高，工艺实现的难度和成本也会更高；同时该设计中每行或每列相邻的两个基于硅基的等离子体单元拥有共同的P注入区或N注入区，相邻两个等离子体单元之间没有隔离槽，如果同时工作势必会彼此干扰，降低等离子体单元特性，因此该天线设计发明的性能、可重构精度及灵活性都受到了一定限制。

总而言之，天线可重构的方法非常多，但其目的就是一个，即使得天线多功能化，一个天线就可以实现多个天线的功能，节省天线的空间。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提供一种快速可重构的多功能天线。所述多功能天线包括所述半导体等离子体和所述基于薄膜晶体管TFT矩阵驱动技术的分布式直接驱动阵列电路，两者一体化集成于硅、玻璃、蓝宝石、碳化硅以及其他平面或曲面介质基板上；所述多功能天线可快速地、动态地控制构成平面阵列各辐射单元的形状、大小和应该在的正确位置，实现天线频率的可重构、极化的可重构、波束控制和增益敏捷的可重构、旁瓣的位置及其相对电平的可重构以及上述的各种组合，就像二维打印机那样，迅速捷变的改变天线从一种功能到另一种功能，使一个平面或准三维天线变成多功能平面或准三维天线。

本实用新型的第一目的是，通过分布式直接驱动阵列电路控制半导体等离子体基本单元这一基本单元来构建各种各样的平面和非平面天线(譬如准三维的多功能天线)，以使构建获得的天线实现各种各样的功能，重构的多功能天线可以实现天线频率的可重构、极化的可重构、波束控制和增益敏捷的可重构、旁瓣的位置及其相对电平的可重构以及上述的各种组合。

同时在工程应用中，各种功能之间的切换是需要时间的，且切换时间越短越好；本实用新型的另一目是用半导体等离子体这一基本单元，使它成为导体或绝缘体(介质)，并且利用包括TFT矩阵驱动技术在内的，分布式直接驱动阵列的驱动时间以及驱动精度，使其从一种功能到另一种功能的切换时间为最小(1～30μs)，并且使由这个基本单元所构成的天线的精度为最高(一般为50微米，即0.05毫米)。这样的精度对于毫米波、亚毫米波乃至远红外频段的天线而言是足够的。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

基于分布式直接驱动阵列的可重构多功能天线，所述可重构多功能天线包括：半导体等离子体基本单元和用于控制每一个所述半导体等离子体基本单元的等离子体状态或非等离子体状态的分布式直接驱动阵列电路；

所述分布式直接驱动阵列电路基于薄膜晶体管TFT矩阵驱动技术，用于为每一个所述半导体等离子体基本单元独立提供≥0.5V的直流驱动电压和0.1～30mA的驱动电流，切换时间为1～30μs；

所述半导体等离子体基本单元和所述分布式直接驱动阵列电路集成于同一块介质基板上，位于天线介质基板的同一表面。

进一步地，所述半导体等离子体基本单元包括设置于表面的SPIN二极管、依次设置于所述SPIN二极管下部的氧化层和介质基板；

所述SPIN二极管包括本征层、P⁺层、N⁺层和金属触点；所述P⁺层和所述N⁺层分别设置于所述本征层两侧的上部，所述金属触点分别设置在所述P⁺层104和所述N⁺层105的远离所述本征层的一侧的上部。

进一步地，所述半导体等离子体基本单元的长度为20-200微米，宽度100-900微米，厚度为20-70微米，金属触点的宽度为5-20微米。

进一步地，所述分布式直接驱动阵列电路包括阵列天线控制器、列移位寄存器组、行移位寄存器组、以及与半导体等离子体基本单元一一对应的控制开关电路；

所述列移位寄存器组和所述行移位寄存器组均与所述阵列天线控制器连接并接收所述阵列天线控制器的控制信号；所述控制开关电路的输入端与所述列移位寄存器组以及与所述行移位寄存器组连接，所述控制开关电路的输出端与所述半导体等离子体基本单元中P⁺层上部的金属触点连接；所有半导体等离子体单元的N⁺层上部的金属触点通过导线与电源地连接；

当控制开关电路205打开并输出大于0V的驱动电压到与之对应的半导体等离子体单元101的P+层104金属触点时，该半导体等离子体单元101就处于打开状态(导电状态)；当控制开关电路205关闭并输出0V的电压到与之对应的半导体等离子体单元101的P+层104金属触点时，该半导体等离子体单元101就处于关闭状态(非导电状态)。由此通过所述分布式直接驱动阵列电路(2011的阵列天线控制器202控制半导体等离子体层302上的每一个半导体等离子体101这一基本单元分别处于所需的打开或关闭状态。通过不同的打开状态(导电状态)的半导体等离子体303和关闭状态(非导电状态)的半导体等离子体304，可形成所需的不同极化、频率和指向的波束305或306。

进一步地，所述介质基板采用硅、玻璃、蓝宝石或碳化硅作为基质材料，为平面或曲面。

进一步地，所述半导体等离子体基本单元中的SPIN结采用硅或金属氧化物半导体材料制备。

进一步地，所述金属氧化物半导体材料为二氧化锡(SnO₂)、二氧化钛(TiO₂)、氧化锌(ZnO)中的任意一种；或

所述金属氧化物半导体材料为以二氧化锡(SnO2)、二氧化钛(TiO2)或氧化锌(ZnO)为基质，掺杂铟、镓中一种或两种元素所形成的半导体材料；优选地，所述金属氧化物半导体材料为氧化铟锌(IZO)或铟镓锌氧化物(IGZO)。

本实用新型的有益技术效果：

本实用新型所提供的所述基于分布式直接驱动阵列的可重构多功能天线阵列，可以在一个天线装置上实现多种天线功能，并且从一种功能变化到另一种功能所需要的切换时间短，可以达到微秒量级，能够非常简单地改变阵列天线辐射单元形状、大小和位置以及对辐射单元形状、大小和位置进行有效控制，实现天线频率的可重构(多频段工作)、极化的可重构(线极化、圆极化)、波束控制和增益敏捷的可重构(波束扫描)、旁瓣的位置及其相对电平的可重构(抗干扰)以及上述的各种组合，并且天线效率高，波束指向精确。

本实用新型所提供的所述基于分布式直接驱动阵列的可重构多功能天线阵列，以直流电压控制的半导体等离子体作为这种捷变万能天线单元的基本单元，用这种基本单元就能组成各种各样的天线。实现各种各样的功能，该半导体等离子体的长度尺寸为50-200微米，这一尺寸就相当于液晶电视显示屏中的像素尺寸的大小，利用薄膜晶体管(TFT)矩阵驱动技术来对半导体等离子体这个基本单元进行驱动，将半导体等离子体这一基本单元与基于快捷、大电流、简易的TFT矩阵驱动技术的分布式直接驱动阵列完美结合在一起，并且基于类似工艺，可以进行一体化设计，在同一条产线上完成制造，就像积木一样，多功能天线可以通过TFT面板工艺或半导体工艺将半导体等离子体和基于薄膜晶体管TFT矩阵驱动技术的分布式直接驱动阵列一体化集成于硅、玻璃、蓝宝石、碳化硅以及其他平面或曲面介质基板上，构建出各种各样的阵列天线，从而实现基于分布式直接驱动阵列的可重构多功能天线阵列。

利用基于快捷、大电流、简易的，包括TFT矩阵驱动技术在内的，分布式直接驱动阵列来对半导体等离子体这个基本单元进行驱动，成功的解决了现有半导体等离子体天线设计采用直接布线或者在介质板打通孔与驱动电路连接的工艺难题，并且通过行列矩阵驱动方式，多个控制开关电路可以由同一个移位寄存器驱动，大大简化了驱动电路的复杂度，使得驱动更多的半导体等离子体单元成为可能，从而能够实现制造大尺寸的半导体等离子体天线。同时基于快捷、大电流、简易的薄膜晶体管(TFT)技术设计的开关控制电路具有更低的成本，较采用微波PIN二极管、砷化镓晶体管、变容二极管和MEMS作为开关装置来对天线进行可重构的设计，天线的可重构的能力和功能都有较大提升。

本实用新型所提供的所述基于快捷、大电流、简易的分布式直接驱动阵列的可重构多功能天线阵列，通过基于快捷、大电流、简易的TFT矩阵驱动技术的分布式直接驱动阵列可以将天线基本单元的尺寸及在阵列环境中的位置控制精度提高到50微米，远高于传统亚波长周期结构可重构天线设计中的1/2-1/8波长尺寸，因此可以实现更为精确的相位控制和波束指向；也正因为此，在阵列条件下，相较于传统亚波长周期结构可重构天线设计中只能一部分天线单元工作带来的低效率，本实用新型可以使得天线口面内所需工作位置的单元都参与辐射，具有更高的辐射效率，更低的雷达散射截面积。

本实用新型提出了半导体等离子体基本单元通过用金属氧化物半导体材料，如二氧化锡(SnO₂)、二氧化钛(TiO₂)和氧化锌(ZnO)及其掺杂形成的氧化物等材料，替代传统SPIN结中的硅材料，形成准SPIN结构或NIN结构。这样半导体等离子体基本单元介质基板材料就不只是局限于硅，还可以在玻璃、蓝宝石、碳化硅以及其它平面或曲面介质基板上实现半导体等离子体天线的制造。突破了硅片对产品尺寸和工艺产线的限制，同时也有效降低了产品制造难度和成本。

附图说明

图1(a)是实施例中半导体等离子体基本单元的结构示意图；

图1(b)是实施例中有隔离槽结构的半导体等离子层结构示意图；

图1(c)是实施例中没有隔离槽结构的半导体等离子层结构示意图；

图1(d)是实施例中基于现有的SOI技术的半导体等离子体层制造工艺流程；

图1(e)是实施例中基于金属氧化物半导体材料制造半导体等离子体层制造工艺流程；

图2是实施例中快捷、大电流、简易的分布式直接驱动阵列电路的示意图；

图3(a)是实施例中基于半导体等离子体单元和快捷、大电流、简易的分布式直接驱动阵列的可重构多功能天线阵列的基本结构示意图(俯视示意图)；

图3(b)是实施例中基于半导体等离子体单元和快捷、大电流、简易的分布式直接驱动阵列的可重构多功能天线阵列的基本结构示意图(截面示意图)；

图3(c)是实施例中基于半导体等离子体单元和快捷、大电流、简易的分布式直接驱动阵列的连接关系示意图；

图3(d)是实施例中基于半导体等离子体单元和快捷、大电流、简易的分布式直接驱动阵列的可重构多功能天线阵列的一个波束指向示意图；

图3(e)是实施例中基于半导体等离子体单元和快捷、大电流、简易的分布式直接驱动阵列的可重构多功能天线阵列的另一个波束指向示意图；

图4是一个平行板波导馈电的一维电子波束扫描平面天线阵列示意图(截面示意图)；

图5(a)是一个径向线波导馈电的二维电子波束扫描和极化捷变的平面天线阵列示意图(俯视示意图)；

图5(b)是一个径向线波导馈电的二维电子波束扫描和极化捷变的平面天线阵列示意图(截面示意图)；

图6是矩形波导馈电的漏波天线阵列示意图；

图7是由半导体等离子体所构建的反射阵列天线示意图；

图8是由半导体等离子体这一基本单元所构成的刀形分形天线示意图；

图9是由半导体等离子体这一基本单元所构建的螺旋天线示意图；

图10是由半导体等离子体这一基本单元所构成的全息人造阻抗表面天线示意图；

图11(a)是由半导体等离子体这一基本单元所构成的部分反射表面天线示意图(俯视示意图)；

图11(b)是由半导体等离子体这一基本单元所构成的部分反射表面天线示意图(截面示意图)；

图12(a)是由半导体等离子体这一基本单元所构成的传输型频率选择表面移相器所形成的相控阵天线的示意图(俯视示意图)；

图12(b)是由半导体等离子体这一基本单元所构成的传输型频率选择表面移相器所形成的相控阵天线的示意图(侧视示意图)；

图13是由半导体等离子体这一基本单元所构成的准三维角反射器天线示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

相反，本实用新型涵盖任何由权利要求定义的在本实用新型的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本实用新型有更好的了解，在下文对本实用新型的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本实用新型。

实施例1

本实施例提供一种可重构的多功能天线，所述多功能天线以半导体等离子体为基本单元，且所述多功能天线包括分布式直接驱动阵列电路(所述分布式直接驱动阵列电路基于薄膜晶体管TFT矩阵驱动技术，所述分布式直接驱动阵列电路切换时间短、驱动电流大、驱动方式简易)，通过所述分布式直接驱动阵列电路控制每一个所述基本单元的工作状态或非工作状态，从而实时地、动态地构成天线的辐射区或非辐射区，进而对天线各种电参数进行控制；其中，所述工作状态即为等离子体状态，所述非工作状态即为非等离子体状态(绝缘的介质)。

利用半导体等离子体这一基本单元以及基于快捷、大电流、简易的TFT矩阵驱动技术的分布式直接驱动阵列，构成平面或非平面阵列天线各辐射单元的形状、大小和应该在的正确位置，实现天线频率的可重构(多频段工作)、极化的可重构(线极化、圆极化、椭圆极化)、波束控制和增益敏捷的可重构(波束扫描)、旁瓣的位置及其相对电平的可重构(抗干扰)以及上述的各种组合，能够实现迅速捷变地改变天线从一种功能到另一种功能，使一个天线变成万能天线。

所述半导体等离子体基本单元和所述分布式直接驱动阵列电路均是通过在所述介质基板上通过溅射、沉积或刻蚀工艺制造而成，且所述多功能天线可以通过TFT面板工艺或半导体工艺将半导体等离子体和基于薄膜晶体管TFT矩阵驱动技术的分布式直接驱动阵列一体化集成于硅、玻璃、蓝宝石、碳化硅以及其他平面或曲面介质基板上。

半导体等离子体这一基本单元，参考图1(a)：每一个半导体等离子体基本单元101包括SPIN二极管、依次设置于所述SPIN二极管下部的氧化层107和介质基板106；所述SPIN二极管设置于所述半导体等离子体基本单元的表面，由本征层103、P⁺层104和N⁺层105构成；

所述SPIN二极管采用横向结构，所述本征层完全暴露于所述氧化层107的上部，所述P⁺层和所述N⁺层分别设置于所述本征层103两侧的上部；

在所述P⁺层104和所述N⁺层105的远离所述本征层的一侧的上部均设置金属触点102。

半导体等离子体基本单元101是通过在半导体固体媒质(例如硅，也可以是玻璃、蓝宝石、碳化硅以及其他平面或曲面介质基板)中注入高浓度的带电载流子而得到，根据载流子注入技术，它可以被分为两类：直流偏置注入的等离子体和激光照射注入的等离子体。本实施例以利用直流偏置注入的等离子体为例进行阐述，在其他实施例中，可以采用基于激光照射注入的等离子体设计。半导体等离子体基本单元101表面PIN(SPIN)二极管，采用横向结构，采用横向结构能够保证半导体等离子体基本单元101具有足够高的载流子浓度(大于10¹⁸个/cm³)；当半导体等离子体基本单元101被直流电压所驱动，它表现为像金属一样成为一个良导体，半导体等离子体基本单元就像一个等离子体的岛屿，规定了天线辐射和非辐射的区域。

半导体等离子体天线的等离子体层设计与制造可以基于现有的SOI技术，具体的工艺流程如图1(d)所示。在硅片中形成埋氧层BOX，然后通过热氧化或者气相沉积的方法，在硅片的上表面形成一层二氧化硅薄膜，从而钝化硅表面的缺陷态。在此基础上，在埋氧层上部的硅中，刻蚀出半导体等离子体之间的隔离槽，然后将隔离槽氧化，氧化完成后，在隔离槽之间的区域制造半导体等离子体。如图1(b)所示，每一个半导体等离子体基本单元101上部的SPIN二极管包括重掺杂的P⁺区104和N⁺区105和本征层103，且独立存在。半导体等离子体基本单元101SPIN二极管之间通过二氧化硅形成隔离槽108，其目的是防止半导体等离子体在工作时，彼此之间产生相互干扰。

除此之外，本实用新型提出一种通过用金属氧化物半导体材料，如氧化锡(SnO2)、氧化钛(TiO2)和氧化锌(ZnO)以及对其进行掺杂形成的氧化物等材料，替代SPIN结中的硅材料，形成准SPIN结构或NIN结构，并示意了这种结构用于制造半导体等离子体天线时，在介质基板上的阵列分布。介质基板包括硅、玻璃、蓝宝石、碳化硅以及其他平面或曲面介质基板。

基于金属氧化物半导体材料制造半导体等离子体天线阵列的等离子体层具体的工艺流程如图1(e)所示。在对介质基板进行有效清洗后，在其上表面沉积一层厚度在50-200纳米之间的电介质薄膜，如氮化硅(SiNx)薄膜，氧化硅等介质薄膜。然后，在介质薄膜表面沉积一层金属氧化物半导体薄膜，薄膜的厚度为1-200微米。在此基础上，在氧化物半导体薄膜的上表面，再沉积一层电介质薄膜(ESL层)，如氮化硅，氧化硅等介质薄膜，厚度在50-200纳米之间。

通过刻蚀工艺，把上面形成的结构中的，金属氧化物半导体薄膜用作准SPIN结构的本征区以外的部分去除，同时去除上层电介质薄膜的相应部分。在此基础上，在上述结构的表面沉积一层金属薄膜，然后去掉金属氧化物半导体薄膜对应的区域，形成图1(c)所对应的准SPIN结构。采用基于金属氧化物半导体材料制造的半导体等离子体单元即使间隔很近同时工作时也几乎不会彼此影响，因而等离子体单元之间不用设计隔离槽，半导体等离子体基本单元之间保持5-30μm间距即可。

基于快捷、大电流、简易的分布式直接驱动阵列的可重构多功能天线阵列的工作原理是基于表面SPIN二极管所形成的辐射单元，在前向偏置状态下的低电阻取决于载流子的浓度，使用这种高电阻率的介质基板(本实施例以硅基板作为说明，也可以是玻璃、蓝宝石、碳化硅以及其他平面或曲面介质基板)，一个长的载流子寿命可以容易被得到，从射频的观点来看，这是非常有利的。

SPIN装置需要提供一个长的本征层103，本征层103在前向偏置电压的作用下，载流子的注入创造一个稳定的载流子的等离子体，这一高移动性的电荷区域就形成了金属导体的电性能。在关闭状态，本征层表现高的电阻并且有小的寄生电容，表现为一个绝缘体。当载流子的浓度达到10¹⁸个/cm³时，硅基半导体等离子体的导电率可达到1.6×10⁴S/m，尽管硅基半导体等离子体的导电率远低于铜5.96×10⁷S/m的导电率，但对于大多数的射频和微波应用而言是足够的。

半导体等离子体基本单元的长度为20-200微米，宽度100-900微米，厚度为20-70微米，金属触点的宽度为5-20微米，等离子体导通与不导通状态切换时间小于1微秒，一个基本单元的驱动电压≥0.5V，驱动电流在0.1～30mA。

本实施例所采用的半导体等离子体101的几何尺寸刚好与液晶电视显屏的像素尺寸相当，因此基于快捷、大电流、简易的TFT矩阵驱动技术的分布式直接驱动阵列完全适合于半导体等离子体基本单元101的打开或关闭状态的控制(即工作状态或非工作状态)。

本实施例所述多功能天线可以通过TFT面板工艺或半导体工艺将半导体等离子体和基于快捷、大电流、简易的薄膜晶体管TFT矩阵驱动技术的分布式直接驱动阵列一体化集成于硅、玻璃、蓝宝石、碳化硅以及其他平面或曲面介质基板上，成功的解决了现有半导体等离子体天线设计采用直接布线或者在介质板打通孔与驱动电路连接的工艺难题，并且通过行列矩阵驱动方式，多个控制开关电路可以由同一个移位寄存器驱动，大大简化了驱动电路的复杂度，使得驱动更多的半导体等离子体单元成为可能，从而制造大尺寸的半导体等离子体天线。同时基于快捷、大电流、简易的薄膜晶体管(TFT)技术设计的开关控制电路具有更低的成本，较采用微波PIN二极管、砷化镓晶体管、变容二极管和MEMS作为开关装置来对天线进行可重构的设计，天线的可重构的能力和功能都有较大提升。

本实用新型的可重构多功能天线阵列，通过基于快捷、大电流、简易的TFT矩阵驱动技术的分布式直接驱动阵列可以将天线基本单元的尺寸及在阵列环境中的位置控制精度提高到50微米，远高于传统亚波长周期结构可重构天线设计中的1/2-1/8波长尺寸，因此可以实现更为精确的相位控制和波束指向；也正因为此，在阵列条件下，相较于传统亚波长周期结构可重构天线设计中只能一部分天线单元工作带来的低效率，本实用新型可以使得天线口面内所需工作位置的单元都参与辐射，具有更高的辐射效率，同时大大减小了雷达散射截面积。

如图2所示，所述快捷、大电流、简易的分布式直接驱动阵列电路201包括介质基板106、阵列天线控制器202、列移位寄存器组203、行移位寄存器组204与半导体等离子体基本单元101一一对应的控制开关电路205。

所述分布式直接驱动阵列电路能够寻址每一个半导体等离子体基本单元101，并且通过与半导体等离子体基本单元一一对应的控制开关电路205来控制每一个半导体等离子体基本单元101的导电和非导电的状态；

更新所有控制开关电路205所构成的矩阵从而控制所述半导体等离子体基本单元101的方法具体为：

阵列控制器202先将第一行上各列单元所需的数据通过列移位寄存器组203发送到相应的各列数据线上，然后将锁存器信号通过行移位寄存器组204发送到第一行数据总线上，将各列的数据锁存输出到第一行的各个开关电路205的输出端口。

依照上述方式进行逐行扫描，并将各行所需的数据锁存到相应单元的开关电路205的输出端口，直至所有的行扫描完毕，完成一帧数据配置。

每个控制开关电路205可以位于天线阵列的外围，也可以位于天线阵列内部与其驱动的半导体等离子体单元101相邻配置；每个控制开关电路205的输入分别由位于单元阵列外部的移位寄存器203和或204单独驱动,每个移位寄存器203或204可以有一路或者多路输出，每路输出可以同时串行驱动一个或多个控制开关电路205。

在以上数据配置过程中，可以根据数据的位置，灵活的调整移位寄存器移位方向，以便加快数据配置过程。

阵列控制器202，保存着当前每帧数据配置的结果，即阵列中每个半导体等离子体单元101的开关状态。

半导体等离子体基本单元通过所述金属触点与所述分布式直接驱动阵列电路连接；

所述分布式直接驱动阵列电路更新速率取决于列移位寄存器组203的数据可以被加载的速率，并且半导体等离子体基本单元101驱动频率仅受控制开关电路205的切换时间限制，其比传统的液晶有源矩阵驱动时间短很多，可以达到微秒量级，满足天线快速捷变速率的要求。

在液晶驱动显示中，基于TFT(薄膜晶体管)直接寻址的主动矩阵驱动技术为每个像素都配置一个半导体开关器件，通过栅极脉冲直接将数据信号加载到液晶两端，进行控制。目前LCD的响应时间为4ms左右，在驱动脉冲信号有效期间(约为16.7μs)，液晶根本来不及做出响应。因此，LCD的每个像素上都有一个存储电容，在刷新信号消失以后，由存储电容向液晶盒供电，并保持到下一个画面的刷新信号到来。存储电容的存在使TFT LCD具备了记忆力，但同时也带来了负面影响。一方面，电容两端的电压不能突变，这一特性会使驱动信号幅度衰减，陡度下降，信号畸变，画质降低；另一方面，电容的延时作用会使频率响应恶化，信号幅度会随信号频率的升高而降低。存储电容器与典型的非晶硅TFT沟道电阻结合增加了充电时间，降低了刷新速率。如果直接应用于本实用新型所述半导体等离子体单元的驱动，无法满足天线快速捷变速率的要求。

本实施例采用的阵列模式更新速率取决于列移位寄存器组203的数据可以被加载的速率，并且半导体等离子体基本单元101驱动频率仅受控制开关电路205的切换时间限制，其比传统的液晶有源矩阵驱动时间短很多，可以达到微秒量级，满足天线快速捷变速率的要求。

在液晶驱动显示中，基于快捷、大电流、简易的TFT(薄膜晶体管)直接寻址的主动矩阵驱动技术为每个像素配置的一个半导体开关器件设计的最大工作电流也几十μA，而维持半导体等离子体单元载流子的浓度达到10¹⁸个/cm³以上时需要的电流在0.1～30mA之间，因此传统的液晶有源矩阵驱动设计无法满足应用要求。

本实用新型所述分布式直接驱动阵列电路可以为每一个所述等离子体单元独立提供＞0.5V的直流驱动电压和0.1～30mA的驱动电流。因此所述分布式直接驱动阵列电路可以为每一个所述等离子体单元独立提供＞0.5V的直流驱动电压和0.1～30mA的驱动电流，相比于传统的液晶显示只需要μA级别驱动电流的驱动电路，所述基于薄膜晶体管TFT矩阵驱动技术的分布式直接驱动阵列电路是一个大电流的驱动电路。

由于半导体等离子体基本单元的尺寸仅为20～200μm，而在微波、毫米波频段一个辐射单元的尺寸小则1毫米，大则几厘米，因此一个辐射单元就需要十几个乃至几百个半导体等离子体基本单元构成，所述基于薄膜晶体管TFT矩阵驱动技术的分布式直接驱动阵列电路绝大部分是许多等离子基本单元的串联和并联组合的驱动电路，这样就简化了驱动电路结构。

因此，我们称上述这样的驱动电路为快捷、大电流、简易的基于薄膜晶体管TFT矩阵驱动技术的分布式直接驱动阵列电路。

利用上述两种技术，将半导体等离子体这一基本单元与基于快捷、大电流、简易的TFT矩阵驱动技术的分布式直接驱动阵列技术结合，并可以在同一条生产线上完成，使构建基于快捷、大电流、简易的分布式直接驱动阵列的可重构多功能天线阵列变成能够实现，下面我们就来介绍几个有代表性的具体实施案例。

参考图3(a)，是一个典型的基于快捷、大电流、简易的分布式直接驱动阵列的可重构多功能天线阵列的基本结构示意图。基于快捷、大电流、简易的分布式直接驱动阵列的可重构多功能天线阵列301包括由半导体等离子体101这一基本单元组成的半导体等离子体层302和基于快捷、大电流、简易的TFT矩阵驱动技术的分布式直接驱动阵列201所构成，并且如图3(b)所示，半导体等离子体层302和基于快捷、大电流、简易的TFT矩阵驱动技术的分布式直接驱动阵列201位于相同的介质基板106上，可通过TFT面板工艺、半导体工艺等实现。图3(c)所示，每一个半导体等离子体单元101都有一个与之一一对应的控制开关电路205通过导线206与半导体等离子体单元101的P⁺层104金属触点连接，所有半导体等离子体单元101的N⁺层105金属触点通过导线与电源地连接，当控制开关电路205打开并输出大于0V的驱动电压到与之对应的半导体等离子体单元101的P⁺层104金属触点时，该半导体等离子体单元101就处于打开状态(导电状态)；当控制开关电路205关闭并输出0V的电压到与之对应的半导体等离子体单元101的P⁺层104金属触点时，该半导体等离子体单元101就处于关闭状态(非导电状态)。由此通过快捷、大电流、简易的分布式直接驱动阵列201的阵列天线控制器202控制半导体等离子体层302上的每一个半导体等离子体101这一基本单元分别处于所需的打开或关闭状态。如图3(d)、图3(e)所示，通过不同的打开状态(导电状态)的半导体等离子体303和关闭状态(非导电状态)的半导体等离子体304，可形成所需的不同极化、频率和指向的波束305或306。

控制开关电路205输入的值由阵列天线控制器202控制的移位寄存器203或204提供。

图3(a)给出了其中单元驱动器被布置为驱动天线阵列的示例配置。移位寄存器203和204分别位于各行和各列。虽然图示的各行和各列为彼此垂直，但是在一个实施例中，该矩阵配置实际上可以并不排布在天线阵列中，也不一定彼此垂直，仅是说明矩阵配置用于直接驱动控制的逻辑布局。在图3(a)中，阵列天线控制器202控制的移位寄存器203和204位于天线阵列的外围,每个控制开关电路205可以位于天线阵列的外围，也可以位于天线阵列内部与其驱动的半导体等离子体单元101相邻配置；每个控制开关电路205的输入分别由位于单元阵列外部的移位寄存器203或204单独驱动,每个移位寄存器203或204可以有一路或者多路输出，每路输出可以同时串行驱动一个或多个控制开关电路205。多个并行移位寄存器203和204被耦合并响应于来自阵列天线控制器202的控制信号以产生并行输出控制信号,阵列天线控制器202使得移位寄存器203和204在它们的驱动电路上输出用于控制开关电路205输入的信号。换句话说，阵列天线控制器202用这些数据加载移位寄存器203和204，以控制哪一个控制开关电路205处于接通状态，哪一个控制开关电路205处于关闭状态,从而控制相应的半导体等离子体101处于导电状态303或者非导电状态304。

下文描述9种本实用新型的具体实施例，其传统结构设计对于本专业人员是众所周知的技术细节，本实用新型的具体实施例与传统设计方案的最大区别:在这9种天线的传统设计中，半导体等离子体的导电状态303、非导电状态304所在的位置、尺寸及形状都是固定的，一旦设计成型就无法改变，因此该天线的频率、极化、方向图、相位精度等性能指标也是确定的；然而在本实用新型具体实施例中，各天线的半导体等离子体的导电状态303、非导电状态304所在的位置、尺寸及形状都是实时可控的，因此天线的性能指标也是可实时定义的，实现天线频率的可重构(多频段工作)、极化的可重构(线极化、圆极化、椭圆极化)、波束控制和增益敏捷的可重构(波束扫描)、旁瓣的位置及其相对电平的可重构(抗干扰)以及上述的各种组合，具有更大的灵活性和多功能性，一副天线可以替代多副天线的功能。

参考图4是平行板波导馈电的一维电子波束扫描的平面阵列天线401，由半导体等离子体层302、快捷、大电流、简易的分布式直接驱动阵列201和平行板波导下面板402组成，电磁波传播方向如403所示。平行板波导的上面板被半导体等离子体层302所代替，每个半导体等离子体基本单元101用基于快捷、大电流、简易的TFT矩阵驱动技术的分布式直接驱动阵列201来控制它的打开或关闭状态。处在辐射槽位置的半导体等离子体基本单元304被控制到关闭的状态(非导电状态)，其它位置的半导体等离子体基本单元303被控制到打开状态(导电状态)。这样就可对此天线的极化和波束指向进行精确控制，使此天线成为极化捷变的一维电子波束扫描相控阵天线。并且这样的天线并不利用单独的移相器和TR组件，使得此天线的成本可以成数量级的减小，也不存在散热问题。与传统的相控阵天线相比，此天线是一个低轮廓、重量轻、功耗小、成本低的平面天线。

图5(a)和图5(b)是一个径向线波导馈电的二维波束扫描和极化捷变的平面阵列天线501，由径向线波导502、半导体等离子体层302、快捷、大电流、简易的分布式直接驱动阵列201、同轴探针503、同轴接头504和介质层505组成。径向线波导502的上导电平板被半导体等离子体层302所代替，槽的精确位置、取向和大小由半导体等离子体基本单元的关闭状态304来确定，其余的地方则由半导体等离子体基本单元的打开状态303所决定。这样构成的平面槽阵列天线主波束的扫描范围为方位360°，俯仰为±72°，另外通过槽的相对位置和取向，此天线既可以是线极化(垂直线极化、水平线极化)，也可以是圆极化(左旋圆极化、右旋圆极化)，切换速度极快，约为1微秒。

参考图6，它表明了由矩形波导馈电的漏波天线601，同样矩形波导602的上导电壁被半导体等离子体层302所代替，在此壁上的辐射槽可由半导体等离子体基本单元的关闭状态304动态的被形成，通过快捷、大电流、简易的分布式直接驱动阵列201精确控制辐射槽的位置和大小，此漏波天线方向图指向基本上从端射到侧射然后转到背射，与传统的漏波天线相比这种漏波天线不是通过频率来使天线波束扫描而是通过动态地精确确定槽所在的位置来使主波束扫描的。

参考图7，它表明由半导体等离子体层302、快捷、大电流、简易的分布式直接驱动阵列201、馈源702和地板703所构成的反射阵列天线701的示意图，303为工作状态的硅基等离子体101，304为非工作状态的硅基半导体等离子体101，通过快捷、大电流、简易的分布式直接驱动阵列201动态地确定每个贴片天线单元303的大小，使其具有应该有的反射相位值，就能使天线的主波束进行扫描。

参考图8，它表明由半导体等离子体层302、快捷、大电流、简易的分布式直接驱动阵列201所构成的刀形分形天线801，由于极好的空气动力学特性，此种刀形天线经常用在飞机上，分形是利用了自相似性和平面/空间的填充性，通过对一个生成元(母体)的若干次迭代就可以产生一个形状复杂的天线，利用快捷、大电流、简易的分布式直接驱动阵列201控制半导体等离子体层302上的半导体等离子体基本单元的打开的状态303和关闭的状态304，就可构成分形天线的几何形状和尺寸，因此与传统的分形天线相比，它具有匹配网络简单，阻抗容易匹配的优点。

参考图9，它表明由半导体等离子体层302、快捷、大电流、简易的分布式直接驱动阵列201所构成的平面螺旋天线901的示意图。图中的螺旋天线导体的形状和尺寸是由半导体等离子体基本单元101被快捷、大电流、简易的分布式直接驱动阵列201控制到它的打开状态303所确定，与传统的螺旋天线相比，它的大小，螺旋线的旋向是在现场动态地被快捷、大电流、简易的分布式直接驱动阵列201确定的。因此，此种天线既具有更低的工作频率又可以做成左旋圆极化或者右旋圆极化，对传统螺旋天线的功能进行了扩展。

参考图10，它表明的是由半导体等离子体层302、快捷、大电流、简易的分布式直接驱动阵列201所构成的全息人造阻抗表面天线1001的示意图，处于平面某一位置处的表面阻抗是由亚波长尺寸方贴片的尺寸和周期间隔所确定。与传统的人造阻抗表面天线相比，该天线是在现场动态地被快捷、大电流、简易的分布式直接驱动阵列201形成，因此可以使这种天线的主波束进行任意地扫描，同时通过在方贴片单元上开一个不同取向的长槽，还可以改变这种天线的极化。

参考图11(a)和11(b)，它表明的是由半导体等离子体层302、快捷、大电流、简易的分布式直接驱动阵列201、贴片单元1102、馈源1103、地板1104和介质层1105所构成的部分反射表面天线1101，传统的部分反射表面被半导体等离子体层302所代替，反射单元由被快捷、大电流、简易的分布式直接驱动阵列201控制到关闭状态的半导体等离子体基本单元304所构成，这样构成的天线既具有波束扫描的功能又具有极化捷变的功能。

参考图12(a)和12(b)，它表明的是由半导体等离子体层302、快捷、大电流、简易的分布式直接驱动阵列201、辐射阵列1203所构成的相控阵天线1201的示意图，其中半导体等离子体层302、快捷、大电流、简易的分布式直接驱动阵列201所构成的传输型频率选择表面(FSS)1202作为移相器。众所周知，传统的相控阵天线是从上向下的多层结构，从上到下依次为：第一层是辐射单元层，第二层是移相器层，第三层是有源的TR模块层，第四层是散热层，第五层是控制电路层，第六层是供电层。我们能否逆向思维将移相器层放在辐射单元层的上面，而传输型的FSS移相器最适合这种逆向思维。传输型FSS移相器是由亚波长的环形金属环所构成，控制它的尺寸和周期，就能控制它的移相量。但相控阵的波束需要大范围的扫描，而传输型FSS的移相量与射频电磁波的入射角有关。一般研究表明，直到倾斜入射角为30°时，它的透射系数的移相量基本与入射角无关而只与单元的尺寸和单元之间的间距有关，因此这种移相器必须做成二层，下面一层只将波束倾斜30°，而上层又将波束再倾斜30°，二层即可将波束扫描到俯仰±60°。

传统的传输型移相器是借助控制单元的尺寸和周期在一个方位角上来产生一个使波束在俯仰面上扫描30°的相位梯度，因此要在方位360°、俯仰±60°范围进行波束扫描，就需要上下两层的相对和共同的机械运动，这不是真正意义上的相控阵的概念，因为在相控阵天线中是没有一个部件需要机械运动的。

而由半导体等离子体层302上的受控半导体等离子体基本单元101所构成的传输型频率选择表面(FSS)1202是在现场动态地被快捷、大电流、简易的分布式直接驱动阵列201确定传输型频率选择表面(FSS)1202构成单元303的位置、尺寸和周期，以便在某一方位面方向上形成合适的相位梯度，并且捷变地从某一方位角切换到另一方位角，这样就消除了上下两层FSS的相对和共同运动，因此就成了真正意义上的相控阵天线，但它的造价是相当低的，而且是低轮廓、重量轻的，同时也消除了有源TR组件散热的要求。

参考图13，它表明的是由半导体等离子体层302、快捷、大电流、简易的分布式直接驱动阵列201所构成的角反射器天线1301的示意图。如图13所示，反射器1302由导通状态的等离子体单元303构成，代替了传统角反射器天线的金属板，偶极子阵列1303同样由导通状态的等离子体单元303构成。这样所构成的角反射器天线1301，当它工作时是一个角反射器天线；当它不工作时，所有的机构基本上变成了一个介质。该介质的雷达散射截面积远远小于金属的雷达散射截面积，因此这样的准三维角反射器天线非常适用于电子对抗等领域应用。

总之，本实用新型的应用具体实施例不胜牧举，其应用范围和领域极其广泛，就像搭积木和拼图那样，实时地、动态地构成天线的辐射区或非辐射区，从而达到对天线各种电参数进行控制。

在具体实施方式的描述中，对于本专业人员众所周知的技术细节参照本领域常规技术。

Claims (7)

1.基于分布式直接驱动阵列的可重构多功能天线，其特征在于，所述可重构多功能天线包括：半导体等离子体基本单元(101)和用于控制每一个所述半导体等离子体基本单元的等离子体状态或非等离子体状态的分布式直接驱动阵列电路(201)；

所述分布式直接驱动阵列电路基于薄膜晶体管TFT矩阵驱动技术，用于为每一个所述半导体等离子体基本单元独立提供≥0.5V的直流驱动电压和0.1～30mA的驱动电流，切换时间为1～30μs；

所述半导体等离子体基本单元和所述分布式直接驱动阵列电路集成于同一块介质基板(106)上，位于天线介质基板(106)的同一表面。

2.根据权利要求1所述基于分布式直接驱动阵列的可重构多功能天线，其特征在于，所述半导体等离子体基本单元包括设置于表面的SPIN二极管、依次设置于所述SPIN二极管下部的氧化层(107)和介质基板(106)；

所述SPIN二极管包括本征层(103)、P⁺层(104)、N⁺层(105)和金属触点(102)；所述P⁺层和所述N⁺层分别设置于所述本征层(103)两侧的上部，所述金属触点(102)分别设置在所述P⁺层104和所述N⁺层105的远离所述本征层的一侧的上部。

3.根据权利要求2所述基于分布式直接驱动阵列的可重构多功能天线，其特征在于，所述半导体等离子体基本单元的长度为20-200微米，宽度100-900微米，厚度为20-70微米，金属触点的宽度为5-20微米。

4.根据权利要求2所述基于分布式直接驱动阵列的可重构多功能天线，其特征在于，所述分布式直接驱动阵列电路(201)包括阵列天线控制器(202)、列移位寄存器组(203)、行移位寄存器组(204)、以及与半导体等离子体基本单元(101)一一对应的控制开关电路(205)；

所述列移位寄存器组(203)和所述行移位寄存器组(204)均与所述阵列天线控制器(202)连接并接收所述阵列天线控制器(202)的控制信号；所述控制开关电路(205)的输入端与所述列移位寄存器组(203)以及与所述行移位寄存器组(204)连接，所述控制开关电路(205)的输出端与所述半导体等离子体基本单元中P⁺层(104)上部的金属触点(102)连接；所有半导体等离子体单元(101)的N⁺层(105)上部的金属触点(102)通过导线与电源地连接。

5.根据权利要求1所述基于分布式直接驱动阵列的可重构多功能天线，其特征在于，所述介质基板采用硅、玻璃、蓝宝石或碳化硅作为基质材料，为平面或曲面。

6.根据权利要求1所述基于分布式直接驱动阵列的可重构多功能天线，其特征在于，所述半导体等离子体基本单元中的SPIN结采用硅或金属氧化物半导体材料制备。

7.根据权利要求6所述基于分布式直接驱动阵列的可重构多功能天线，其特征在于，所述金属氧化物半导体材料为二氧化锡、二氧化钛、氧化锌中的任意一种；或

所述金属氧化物半导体材料为以二氧化锡、二氧化钛或氧化锌为基质，掺杂铟、镓中一种或两种元素所形成的半导体材料；优选地，所述金属氧化物半导体材料为氧化铟锌或铟镓锌氧化物。