基于双横向PIN二极管的频率可重构波导缝隙天线

摘要

本发明公开了一种基于双横向PIN二极管的频率可重构波导缝隙天线，属于天线领域，该天线主要包括：伺服电路、可编程电压源、矩形波导和双横向PIN二极管。伺服电路对可编程电压源进行编程控制，使可编程电压源输出符合编程要求的多路电压；矩形波导采用同轴线馈电，波导宽壁切割8-64个缝隙，并在每个缝隙处安装一个双横向PIN二极管；可编程电压源输出的多路电压与双横向PIN二极管相连，控制双横向PIN二极管的不同部分导通与截止，通过这种方式控制波导缝隙的长度、宽度和偏移距离，实现可编程控制的频率可重构波导缝隙天线。本发明实现了可编程控制的频率可重构波导缝隙天线。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件领域和波导缝隙天线领域，特别涉及利用半导体器件实现可编 程控制的频率可重构波导缝隙天线。

背景技术

波导缝隙天线是通过在波导壁上开缝制成的，它是由波导或谐振腔馈电，在缝隙上激 励产生电磁场，并向空间辐射电磁波的一种天线。波导缝隙天线具有结构紧凑，功率容量 大，安装方便，辐射效率高，馈电损耗低，体积小，重量轻，易实现高增益、低副瓣等的 优点，在现代电子工业中占据重要位置，被广泛应用于地面、舰载、机载、导航等各个领 域。

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受和发射信号。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。

由于传统波导缝隙天线只能实现一种方向图，并只能在一个频带内能最有效的工作。 基于双横向PIN二极管的频率可重构波导缝隙天线结合了波导缝隙天线和硅基等离子天 线的众多优点，可工作在多频带，具有广泛的应用前景，在民用和军用方面都有重要的应 用价值

发明内容

本发明目的是解决波导缝隙天线的频率可重构问题，提供一种基于双横向PIN二极管 的频率可重构波导缝隙天线，通过控制双横向PIN二极管的不同部分导通与截止，进而控 制波导缝隙的长度、宽度和偏移距离，实现可编程控制的频率可重构波导缝隙天线。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

基于双横向PIN二极管的频率可重构波导缝隙天线，包括：伺服电路、可编程电压源 和矩形波导，在矩形波导宽壁切割n个缝隙，n的取值范围为8-64，每个缝隙中各放置一 个双横向PIN二极管(共有n个)。伺服电路对可编程电压源进行编程控制，使可编程电 压源输出符合编程要求的4n路电压；可编程电压源输出的4n路电压分别与矩形波导缝隙 中的n个双横向PIN二极管相连，控制双横向PIN二极管的不同部分导通与截止。

所述的矩形波导采用同轴线馈电，在波导宽壁切割n(8-64)个缝隙，缝隙间隔均匀 或非均匀分布在波导宽壁中线两侧，各缝隙平行于矩形波导的长棱，并在每个缝隙处安装 一个双横向PIN二极管。

所述的双横向PIN二极管依次包括单晶硅衬底、绝缘埋层、本征硅区和表面钝化层， 在本征硅区和表面钝化层的四角设有P注入区或N注入区，且相同注入区(P区或N区) 沿对角布置，在各注入区表面分别设置有一个金属电极，每个双横向PIN二极管共有4个 电极，其中绝缘埋层是氮化铝。

所述的双横向PIN二极管等效为4个横向PIN二极管。当横向PIN二极管两端加正 向偏置电压(即P区电压高于N区电压一定数值)时，横向PIN二极管导通；当横向PIN 二极管两端加反向偏置电压(即N区电压大于等于P区电压)时，横向PIN二极管截止。 正向偏置的横向PIN二极管有一定数值的恒定电流流过，此时本征区含有一定数量的易于 运动的载流子，当本征区载流子浓度达到10¹⁸cm^-3或以上时，此时本征区具有类金属的导 电特性。

所述可编程电压源输出的4n路电压分别与n个双横向PIN二极管中的4个电极共4n 个电极分别连接。

所述的双横向PIN二极管与波导缝隙之间设有隔离层，隔离层是二氧化硅。

所述的可编程电压源控制双横向PIN二极管的不同部分导通与截止，从而控制缝隙的 长度、宽度和偏移距离，改变天线结构和谐振腔，实现天线频率可重构。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

上述基于双横向PIN二极管的频率可重构波导缝隙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，控制双横向PIN二极管的不同 部分导通与截止，从而控制缝波导隙长度、宽度和偏移距离，实现频率可重构波导缝隙天 线。从而降低传统的频率可重构波导缝隙天线设计的复杂度，降低通信系统的成本，且能 够根据通信系统的需要实时改变波导缝隙天线的工作频率。

附图说明

图1是双横向PIN二极管的三维立体示意图。

图2是双横向PIN二极管的侧视图。

图3是双横向PIN二极管的俯视图。

图4是伺服电路和可编程电压源。

图5是切割完缝隙的波导三维立体示意图。

图6是切割完缝隙的波导俯视图。

图7是本发明提供的基于双横向PIN二极管的频率可重构波导缝隙天线的系统结构 图。

图8是矩形波导宽壁切割8个缝隙的基于双横向PIN二极管的频率可重构波导缝隙天 线的系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图7所示，这种基于双横向PIN二极管的频率可重构波导缝隙天线，它包括伺服电 路1、可编程电压源2、矩形波导3。在矩形波导3宽壁切割n个缝隙，n的取值范围为 8-64(参见图5和图6)，每个缝隙中各放置一个双横向PIN二极管4，其中双横向PIN二极 管4的俯视图如图3所示。

为了表述方便，此例中假设在波导宽壁只切割了8个缝隙301-308，如图8所示，波 导宽壁的缝隙平行于矩形波导的长棱，缝隙之间的纵向距离为λ/2，其中λ为波导波长； 在缝隙301-308处各安装一个双横向PIN二极管4，双横向PIN二极管4的长和宽分别等 于对应缝隙的长和宽；矩形波导采用同轴线馈电，其一端用于馈电，一端设置反射板。

如图1至图3所示，双横向PIN二极管4包括单晶硅衬底41、绝缘埋层42、本征硅 区43、P注入区(P区)441和442、N注入区(N区)451和452、表面钝化层46和金 属电极47。

双横向PIN二极管4可等效为4个横向PIN二极管，其各部分的尺寸如图3所示。其 中，由P区441、本征区I₁和N区451构成的PIN二极管，长为L₁+L₂+L₃，宽为W₁；由 P区442、本征区I₂和N区452构成的PIN二极管，长为L₁+L₂+L₃，宽为W₃；由P区441、 本征区I₃和N区452构成的PIN二极管，长为W₁+W₂+W₃，宽为L₁；由P区442、本征 区I₄和N区451构成的PIN二极管，长为W₁+W₂+W₃，宽为L_3。

当双横向PIN二极管4中每个横向PIN二极管两端加正向偏置电压时(即P区电压 高于N区电压一定数值时)横向PIN二极管导通；当每个横向PIN二极管两端加反向偏 置电压时(即N区电压大于等于P区电压时)横向PIN二极管截止。正向偏置的横向PIN 二极管有一定数值的恒定电流流过，此时本征区含有一定数量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，此时本征区具有类金属的导电特性。

伺服电路1对可编程电压源2进行编程控制，使可编程电压源2输出符合编程要求的 多路电压；可编程电压源3输出的多路电压与相应的双横向PIN二极管4相连(参见图4)， 可编程电压源2输出电压V_1,P1与缝隙301处的第一个双横向PIN二极管4的第一P注入区 (P区)441相连，电压V_1,P2与缝隙301处的双横向PIN二极管4的第二P注入区(P区) 442相连，电压V_1,N1与缝隙301处的双横向PIN二极管4的第一N注入区(N区)451相 连，电压V_1,N2与缝隙301处的双横向PIN二极管4的第二N注入区(N区)452相连。V_1,P1与V_1,P2不一定相等且V_1,N1与V_1,N2不一定相等，其他双横向PIN二极管的连接按此类推。通 过控制双横向PIN二极管4的不同部分导通与截止实现，控制矩形波导3的缝隙301-308 的长度、宽度和偏移距离，具体变化，在下方叙述。实现基于双横向PIN二极管的频率可 重构波导缝隙天线。

为了表述方便，设所有波导缝隙301-308的长和宽均分别相等，所有双横向PIN二极 管4的长和宽分别相等。波导内电磁波的传播方向，沿301传播到308，伺服电路1对可 编程电压源2进行编程控制，使可编程电压源2输出32路电压[V_1,P1:V_1,P2]-[V_8,P1:V_8,P2]与 [V_1,N1:V_1,N2]-[V_8,N1:V_8,N2]。以放置在矩形波导3缝隙301处的双横向PIN二极管4为例，来 说明其P注入区(P区)441-442和N注入区(N区)451-452上电极47的电压大小关系。 可编程电压源2输出电压V_1,P1与缝隙301处的双横向PIN二极管4的P注入区(P区)441 相连，电压V_1,P2与缝隙301处的双横向PIN二极管4的P注入区(P区)442相连，电压V_1,N1与缝隙301处的双横向PIN二极管4的N注入区(N区)451相连，电压V_1,N2与缝隙301 处的双横向PIN二极管4的N注入区(N区)452相连。若V_1,P1>V_1,N1，V_1,P1>V_1,N2，V_1,P2>V_1,N2和V_1,P2>V_1,N1，此时双横向PIN二极管4全部导通，其本征区46中的I₁、I₂、I₃、和I₄部 分具有类金属的导电特性，I₅部分不具有类金属的导电特性，此时缝隙301的等效长度为 L₂，等效宽度为W₂。与上述类似，使矩形波导3的缝隙302-308处的双横向PIN二极管 4的P注入区(P区)441-442和N注入区(N区)451-452上电极47的电压也都满足上 述关系，此时缝隙302-308处的双横向PIN二极管4都全部导通，缝隙302-308的等效长 度都为L₂，等效宽度都为W₂，此时波导缝隙天线工作频率为f1，f1与波导的共振腔有关， 而共振腔与波导缝隙的长、宽及偏移距离有关。

若此时保持其他条件不变，伺服电路1对可编程电压源2进行编程控制，使可编程电 压源2输出32路电压[V_1,P1:V_1,P2]-[V_8,P1:V_8,P2]与[V_1,N1:V_1,N2]-[V_8,N1:V_8,N2]。以放置在矩形波导3 缝隙301处的双横向PIN二极管4为例，来说明其P注入区(P区)441-442和N注入区 (N区)451-452上电极47的电压大小关系。可编程电压源2输出电压V_1,P1与缝隙301处 的双横向PIN二极管4的P注入区(P区)441相连，电压V_1,P2与缝隙301处的双横向PIN 二极管4的P注入区(P区)442相连，电压V_1,N1与缝隙301处的双横向PIN二极管4的 N注入区(N区)451相连，电压V_1,N2与缝隙301处的双横向PIN二极管4的N注入区(N 区)452相连。若V_1,P1≤V_1,N1，V_1,P1>V_1,N2，V_1,P2>V_1,N2和V_1,P2>V_1,N1，此时双横向PIN二极 管4部分导通，其本征区46中的I₂、I₃、和I₄部分具有类金属的导电特性，I₁和I₅部分不 具有类金属的导电特性，缝隙301的等效长度为L₂，等效宽度为W₁+W₂。与上述类似， 使矩形波导3的缝隙302-308处的双横向PIN二极管4的P注入区(P区)441-442和N 注入区(N区)451-452上电极47的电压也都满足上述关系，此时缝隙302-308处的双横 向PIN二极管4部分导通，缝隙302-308的等效长度为L₂，等效宽度为W₁+W₂，缝隙 301-308的偏移距离也发生了改变，此时波导缝隙天线工作频率为f2，f2与波导的共振腔 有关，而共振腔与波导缝隙的长、宽及偏移距离有关。

因此，通过伺服电路1对可编程电压源2的实施编程控制，从而控制缝隙301-308处 的双横向PIN二极管4都全部导通或部分导通，实现波导缝隙天线的频率可重构。

实施例2：

如图7所示，这种基于双横向PIN二极管的频率可重构波导缝隙天线，它包括伺服电 路1、可编程电压源2、矩形波导3。在矩形波导3宽壁切割n个缝隙，n的取值范围为 8-64(参见图5和图6)，每个缝隙中各放置一个双横向PIN二极管4，其中双横向PIN二 极管4的俯视图如图3所示。为了表述方便，此例中假设在波导宽壁只切割了8个缝隙 301-308，如图8所示。此例中基于双横向PIN二极管的频率可重构波导缝隙天线各部分 的连接方式与实施例1完全相同。

为了表述方便，设所有波导缝隙301-308的长和宽均分别相等，所有双横向PIN二极 管4的长和宽分别相等。波导内电磁波的传播方向，沿301传播到308，伺服电路1对可 编程电压源2进行编程控制，使可编程电压源2输出32路电压[V_1,P1:V_1,P2]-[V_8,P1:V_8,P2]与 [V_1,N1:V_1,N2]-[V_8,N1:V_8,N2]。以放置在矩形波导3缝隙301处的双横向PIN二极管4为例，来 说明其P注入区(P区)441-442和N注入区(N区)451-452上电极47的电压大小关系。 可编程电压源2输出电压V_1,P1与缝隙301处的双横向PIN二极管4的P注入区(P区)441 相连，电压V_1,P2与缝隙301处的双横向PIN二极管4的P注入区(P区)442相连，电压V_1,N1与缝隙301处的双横向PIN二极管4的N注入区(N区)451相连，电压V_1,N2与缝隙301 处的双横向PIN二极管4的N注入区(N区)452相连。若V_1,P1>V_1,N1，V_1,P1>V_1,N2，V_1,P2>V_1,N2和V_1,P2>V_1,N1，此时双横向PIN二极管4全部导通，其本征区46中的I₁、I₂、I₃、和I₄部 分具有类金属的导电特性，I₅部分不具有类金属的导电特性，此时缝隙301的等效长度为 L₂，等效宽度为W₂。与上述类似，使矩形波导3的缝隙302-308处的双横向PIN二极管 4的P注入区(P区)441-442和N注入区(N区)451-452上电极47的电压也都满足上 述关系，此时缝隙302-308处的双横向PIN二极管4都全部导通，缝隙302-308的等效长 度都为L₂，等效宽度都为W₂，此时波导缝隙天线工作频率为f1，f1与波导的共振腔有关， 而共振腔与波导缝隙的长、宽及偏移距离有关。

若此时保持其他条件不变，伺服电路1对可编程电压源2进行编程控制，使可编程电 压源2输出32路电压[V_1,P1:V_1,P2]-[V_8,P1:V_8,P2]与[V_1,N1:V_1,N2]-[V_8,N1:V_8,N2]。以放置在矩形波导3 缝隙301处的双横向PIN二极管4为例，来说明其P注入区(P区)441-442和N注入区 (N区)451-452上电极47的电压大小关系。可编程电压源2输出电压V_1,P1与缝隙301处 的双横向PIN二极管4的P注入区(P区)441相连，电压V_1,P2与缝隙301处的双横向PIN 二极管4的P注入区(P区)442相连，电压V_1,N1与缝隙301处的双横向PIN二极管4的 N注入区(N区)451相连，电压V_1,N2与缝隙301处的双横向PIN二极管4的N注入区(N 区)452相连。若V_1,P1＞V_1,N1，V_1,P1≤V_1,N2，V_1,P2>V_1,N2和V_1,P2>V_1,N1，此时双横向PIN二极 管4部分导通，其本征区46中的I₁、I₂、和I₄部分具有类金属的导电特性，I₃和I₅部分不 具有类金属的导电特性，缝隙301的等效长度为L₁+L₂，等效宽度为W₂。与上述类似， 使矩形波导3的缝隙302-308处的双横向PIN二极管4的P注入区(P区)441-442和N 注入区(N区)451-452上电极47的电压也都满足上述关系，此时缝隙302-308处的双横 向PIN二极管4部分导通，缝隙302-308的等效长度为L₁+L₂，等效宽度为W₂，此时波 导缝隙天线工作频率为f3，f3与波导的共振腔有关，而共振腔与波导缝隙的长、宽及偏移 距离有关。

因此，通过伺服电路1对可编程电压源2的实施编程控制，从而控制缝隙301-308处 的双横向PIN二极管4都全部导通或部分导通，实现波导缝隙天线的频率可重构。

实施例3：

伺服电路1对可编程电压源2进行编程控制，使可编程电压源2输出符合编程要求的 多路电压；可编程电压源3输出的多路电压与相应的双横向PIN二极管4相连，控制双横 向PIN二极管4的不同部分导通与截止，通过这种方式控制矩形波导3缝隙301-308的长 度、宽度和偏移距离，可以按照以上所述的思路进行扩展，可实现其他不同的基于双横向 PIN二极管的频率可重构波导缝隙天线。