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CN110544823B - 频率和极化可重构的固态等离子体天线 - Google Patents

频率和极化可重构的固态等离子体天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种频率和极化可重构的固态等离子体天线，包括自下而上依次设置的射频PCB板、介质基板和金属地板，所述介质基板的下方、射频PCB板上印刷有相互独立工作的第一微带馈线和第二微带馈线，所述金属地板的上表面中间位置开设有上下贯穿的十字交叉缝隙，该十字交叉缝隙的竖直缝隙和水平缝隙的两端内分别填充有相互独立的S‑PIN固态等离子体。本发明的结构简单，且可独立控制每个固态等离子体单元，工作频段不受控制，不需要复杂的馈电网络，同时实现了固态等离子体天线频率和极化的可重构。

Description

频率和极化可重构的固态等离子体天线
技术领域
本发明属于天线和半导体工艺领域，尤其涉及一种频率和极化可重构的固态等离子体天线。
背景技术
随着科学技术的日新月异，人们对无线通信要求越来越高。一方面人们希望提高无线通信的容量、增加整个系统的功能，另一方面又希望降低成本。因此，这也对其中关键部分的天线系统的性能要求越来越高。缝隙天线具有体积小、剖面低、重量轻、成本低、加工容易以及易于实现宽带、多频以及圆极化工作等众多的优点。同时再结合通信系统的小型化、轻型化的发展趋势和需求，缝隙天线在移动通信领域的应用具有很强的吸引力。
固态等离子体可采用电或光激励的形式在半导体本征层形成的，当形成的固态等离子体内载流子浓度达到一定值时，其电导性可与金属相比拟。固态等离子体天线是使用固态等离子体来构成天线的辐射体以及馈电网络。当未激发成固态等离子体时，其就是半导体材料表现出介质的特性；而当激励成固态等离子体时，其类金属特性发挥作用。
在对采用半导体材料制作的PIN管两端施加激励电压,可在I区产生固态等离子体。利用PIN单元构造的固态等离子体可重构天线，具有工作频段切换灵活、辐射方向范围宽、良好的隐身特性、与微电子工艺兼容、可同时实现频率与方向图重构等众多优势，是实现天线小型化和提升雷达与通信系统性能的有效技术途径，已经成为了国内外的研究热点。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种频率和极化可重构的固态等离子体天线，通过控制S-PIN的导通与截止来改变缝隙的尺寸和状态，实现固态等离子体天线频率的可重构；通过天线两根微带馈线的切换，实现固态等离子体天线极化的可重构；并且可独立控制每一个S-PIN固态等离子体。
技术方案：为实现以上目的，本发明公开了一种频率和极化可重构的固态等离子体天线，其特征在于：包括自下而上依次设置的射频PCB板、介质基板和金属地板，所述介质基板的下方、射频PCB板上印刷有相互独立工作的第一微带馈线和第二微带馈线，所述金属地板的上表面中间位置开设有上下贯穿的十字交叉缝隙，该十字交叉缝隙的竖直缝隙和水平缝隙的两端内分别填充有相互独立的S-PIN固态等离子体。
其中，所述介质基板为电导率低的高阻硅基板。
优选的，所述第一微带馈线水平设置且跨过十字交叉缝隙，第二微带馈线竖直设置且跨过十字交叉缝隙，第一微带馈线和第二微带馈线长度相同，且关于介质基板的对角线轴对称。
再者，所述十字交叉缝隙的竖直缝隙和水平缝隙不同时参与辐射。
进一步，所述竖直缝隙的两端设有长度不同的第一S-PIN固态等离子体和第二S-PIN固态等离子体。
再者，所述水平缝隙的两端设有长度不同的第一S-PIN固态等离子体和第二S-PIN固态等离子体。
优选的，所述射频PCB板、介质基板和金属地板均为正方形结构。
再者，所述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。
进一步，所述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。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。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：
(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，但同一条缝隙两端的S-PIN长度不同，保证了第一微带馈线和第二微带馈线在不同的工作频率下距离缝隙两边的距离比例基本一致，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；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；
(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天线极化方式的改变；
(4)本发明的结构简单，且可独立控制每个固态等离子体单元，工作频段不受控制，不需要复杂的馈电网络，同时实现了固态等离子体天线频率和极化的可重构。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中介质基板的结构示意图；
图3为本发明的侧视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示，本发明一种频率和极化可重构的固态等离子体天线，包括射频PCB板1、介质基板2、金属地板3、第一微带馈线4、第二微带馈线5、十字交叉缝隙6和多个S-PIN固态等离子体。
如图1、图2和图3所示，射频PCB板1、介质基板2和金属地板3三者自下而上依次设置，介质基板2的下方、射频PCB板1上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水平设置且跨过十字交叉缝隙6，第二微带馈线5竖直设置且跨过十字交叉缝隙6，第一微带馈线4和第二微带馈线5长度相同，且关于介质基板2的对角线轴对称，两者不同时馈电，独立工作，馈线决定十字交叉缝隙中所辐射的缝隙，进而决定天线是水平极化还是垂直极化。当第一微带馈线4馈电时，则第二微带馈线5不工作，此时天线的极化方向为沿着第一微带馈线4长边的线极化方向，规定这种状态为水平极化方式，则当天线采用第二微带馈线5进行馈电时，天线为垂直极化，实现天线极化方式的可重构。第一微带馈线4、第二微带馈线5和金属地板3之间基本不发生串扰，能量在介质基板中损耗较小，整个天线的效率增大。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天线极化方式的改变。
金属地板3的上表面中间位置开设有上下贯穿的十字交叉缝隙6，该十字交叉缝隙的竖直缝隙和水平缝隙的两端内分别填充有相互独立的S-PIN固态等离子体。十字交叉缝隙6的竖直缝隙和水平缝隙不同时参与辐射，所辐射的缝隙取决于介质基板2下表面第一微带馈线4和第二微带馈线5的工作状态。竖直缝隙的两端设有长度不同的第一S-PIN固态等离子体7和第二S-PIN固态等离子体8。水平缝隙的两端设有长度不同的第一S-PIN固态等离子体7和第二S-PIN固态等离子体8。第一S-PIN固态等离子体7的长度长于第二S-PIN固态等离子体8的长度。本发明的结构简单，且可独立控制每个固态等离子体单元，工作频段不受控制，不需要复杂的馈电网络，同时实现了固态等离子体天线频率和极化的可重构。
介质基板2为电导率低的高阻硅基板，射频PCB板1、介质基板2和金属地板3均为正方形结构，使整个天线结构更加对称，保证天线在不同状态下的其它性能基本一致。
S-PIN固态等离子体上电连接有位于射频PCB板1上的偏置电路，在偏置电路上施加偏置电压，用于改变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。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3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。
当施加在S-PIN固态等离子体的金属电极上的偏置电压较小时，整个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，整个固态等离子体区浓度升高，均达到1018cm-3,此时电导率可以与金属相比拟，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，当同一条缝隙里的两个S-PIN单元截止时，缝隙的等效长度增长，电流沿长缝中点呈对称驻波状态，此时天线的频率较低；当同一条缝隙里的两个S-PIN单元导通时，缝隙的等效长度缩短，此时天线的频率较高。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。
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，但同一条缝隙两端的S-PIN长度不同，保证了第一微带馈线和第二微带馈线在不同的工作频率下距离缝隙两边的距离比例基本一致，保证了天线在两个工作频率下的阻抗匹配。

Claims (4)

1.一种频率和极化可重构的固态等离子体天线，其特征在于：包括自下而上依次设置的射频PCB板(1)、介质基板(2)和金属地板(3)，所述介质基板(2)的下方、射频PCB板(1)上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)，所述金属地板(3)的上表面中间位置开设有上下贯穿的十字交叉缝隙(6)，该十字交叉缝隙的竖直缝隙和水平缝隙的两端内分别填充有相互独立的S-PIN固态等离子体，并充满缝隙；所述第一微带馈线(4)水平设置且跨过十字交叉缝隙(6)，第二微带馈线(5)竖直设置且跨过十字交叉缝隙(6)，第一微带馈线(4)和第二微带馈线(5)长度相同，且关于介质基板(2)的对角线轴对称；所述十字交叉缝隙(6)的竖直缝隙和水平缝隙不同时参与辐射；所述S-PIN固态等离子体上电连接有位于射频PCB板(1)上的偏置电路，在偏置电路上施加偏置电压，用于改变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；所述竖直缝隙的两端设有长度不同的第一S-PIN固态等离子体(7)和第二S-PIN固态等离子体(8)，所述水平缝隙的两端设有长度不同的第一S-PIN固态等离子体(7)和第二S-PIN固态等离子体(8)。
2.根据权利要求1所述的频率和极化可重构的固态等离子体天线，其特征在于：所述介质基板(2)为电导率低的高阻硅基板。
3.根据权利要求1所述的频率和极化可重构的固态等离子体天线，其特征在于：所述射频PCB板(1)、介质基板(2)和金属地板(3)均为正方形结构。
4.根据权利要求1所述的频率和极化可重构的固态等离子体天线，其特征在于：所述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(3)相接触进行接地。
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