[发明专利]基于十字形PIN二极管的可编程控制的可重构天线

说明书

技术领域

本发明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。

发明内容

本发明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。

本发明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。