本发明专利技术公开了基于S-PIN二极管的可重构波导混合缝隙天线。此天线的主体矩形波导的波导宽壁和波导窄壁上均切割有8-32个缝隙，并在每个缝隙中安装一个S-PIN二极管；天线工作时，对不需产生辐射的三个波导壁的S-PIN二极管进行正向偏置，形成类似金属的薄层，使该波导壁上的缝隙全部关闭。天线的辐射由另外一个波导壁上的缝隙阵列产生，能在需要的方向上产生较强辐射。通过控制S-PIN二极管的偏置电压，使天线实现全向扫描。当所有二极管的偏置电压全部撤消，则能实现全向辐射。本发明专利技术的天线扫描波束水平面宽、垂直面窄，辐射效率高，实现了天线方向图的可重构，并且能在全向辐射、定向辐射、全向扫描等工作模式中自由切换。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及固态等离子体技术和波导缝隙天线技术，特别是涉及利用固态等离子体实现方向图可重构的波导混合缝隙天线。
技术介绍
波导缝隙天线是通过在金属波导上开缝制成，开缝形式根据需要一般有波导宽壁纵缝、波导宽壁倾斜缝隙、波导窄壁倾斜缝隙等。缝隙天线具有辐射效率高、能量漏失少、口径面利用率高、结构紧凑、安装方便、强度较高、抗风力强等优点，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，而且波导缝隙天线已经成为机载雷达天线的优选形式。近年来，为了丰富雷达工作方式，提高雷达的性能，使它能得到更广泛的应用，在更多新型雷达如三坐标雷达、目标指示雷达、气象雷达、预警雷达以及机场监视雷达中发挥良好性能，有些学者开始了波导缝隙天线阵列波束赋形的研究。但由于波导缝隙天线缺少相位控制手段，不利于赋形波束的实现。而且现时的波束赋形需要多个波导并排放置，增大了天线体积和成本。如何只用一个波导实现方向图的动态改变，成为一个不好解决的难题。等离子体天线是天线领域的一个重大突破，是对传统天线的延伸和更新，它拓展了等离子体的工程应用范围。等离子体独特的物理性质，在解决天线隐身与互耦方面具有很大的发展潜力，已成为研究的热点。但目前绝大多数的研究只限于气态等离子体天线，而对固态等离子体天线的研究几乎还是空白。这是由于固态等离子体不容易大面积、高浓度地激发，很难像气态等离子体那样直接用作天线辐射体。固态等离子体一般存在于物理半导体器件中，无需像气态等离子那样用介质管包裹，因而有更好的安全性和稳定性，可以转换思想加以利用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供基于S-PIN 二极管的可重构波导混合缝隙天线，利用固态等离子体实现天线结构动态改变，辐射特性快速可调，并且可以进行全向扫描的波导混合缝隙天线。本专利技术的目的通过如下技术方案实现基于S-PIN 二极管的可重构波导混合缝隙天线，天线的主体是矩形波导，矩形波导的一端用于馈电，另一端设有反射板；在所述矩形波导波导宽壁和波导窄壁上均切割 8-32个缝隙，并在每个缝隙中安装一个用于控制缝隙等效开启或等效关闭的S-PIN 二极管；所述控制缝隙等效开启或等效关闭通过控制S-PIN 二极管的偏置电压实现；波导宽壁上的缝隙平行于矩形波导的长棱，间隔分布在波导宽壁中线两边；波导窄壁上的缝隙为倾斜切割，并切入波导宽壁，但不切至波导宽壁上的缝隙所在位置，切割方向与长棱的垂直方向有夹角。本专利技术通过S-PIN 二极管控制缝隙等效开启或关闭，实现天线方向图全向扫描和全向辐射安装的S-PIN 二极管包括内金属触片、外金属触片、硼磷硅玻璃、P型半导体块、N型半导体块、本征层、埋氧层和硅衬底；内金属触片和外金属触片覆在缝隙表面，位于同一平面上，且内金属触片位于外金属触片里面，内金属触片和外金属触片之间有间隙，间隙中填充了硼磷硅玻璃；内金属触片边缘的下方有一圈所述P型半导体块，用于提供空穴；外金属触片的下方有一圈所述N型半导体块，用于提供电子；P型和N型半导体块除顶面以外都被所述本征层包裹着；本征层下面紧贴着一层很薄的所述埋氧层；埋氧层下面紧贴着所述硅衬底，硅衬底处于缝隙的底部；当在内金属触片与外金属触片之间加上正向偏置电压后， S-PIN 二极管导通，N型半导体中的弱自由电子将会从原子中分离，形成自由负电荷，P型半导体将产生空穴，而且空穴可以自由迁移；电子与空穴注入到本征层中，当达到浓度足够大时，将会形成类似金属的薄层，等效为缝隙关闭；当不加偏置电压时，S-PIN 二极管不导通， 相当于缝隙中只填充了绝缘介质，等效为缝隙开启；所有开启的缝隙组成的阵列工作在驻波形式；在扫描的时刻天线的辐射全部由其中一个壁上的缝隙阵列产生，而其余壁上的缝隙全部关闭，使波束具有明显的指向性，依次开启相邻波导宽壁与窄壁上的缝隙，不断循环便可形成扫描波束；在全向辐射时，则将所有的缝隙开启。波导窄壁上的各缝隙切割方向与矩形波导长棱的垂直方向的夹角为4° -15°， 且夹角大小互不相同。内金属触片与外金属触片的材料为导电性能良好的金属，厚度为0. 8 -1.5 /0"O内金属触片宽度为200 /° ，长度为14 ο -15 。内金属触片与外金属触片之间的间隙为50 m -100 ^0b，加在内外金属触片之间的偏置电压为直流稳压，电压值为2. ο V ~'λ V 本征层的材料为纯硅，厚度为70譯《 -90岸·。埋氧层的材料是二氧化硅，厚度为1 m ->, m。硅衬底的材料为纯硅，厚度为300 m -500 _。内外金属触片之间的间隙填充有硼磷硅玻璃，这是一种掺硼的二氧化硅玻璃，厚度为1 可以保护本征层并防止器件受潮。本专利技术利用直流电压激发P型半导体释放大量空穴，N型半导体释放大量电子，这些载流子注入到本征层中，形成等离子体薄层。但要使等离子体薄层具有良好的金属特性， 必须有足够高的载流子浓度。已证明，当载流子浓度达到IOia cm-5数量级时，S-PIN 二极管就具有良好的金属导电性能，这样才能使S-PIN 二极管导通时缝隙处于完全关闭的等效状态。为此，本专利技术利用了 SOKSilicon-On-Insulator)结构，在硅衬底和本征层之间加入了埋氧层，这与现有硅工艺兼容，可减少13-20%的工序。加入了埋氧层，且埋氧层与触片之间的距离为趋肤深度的2-3倍，使载流子无法扩散到硅衬底中，只在很薄的本征层中运动，使得浓度指标容易满足，并保证浓度分布均勻，减少微波传播时的耗散。为了兼顾波导缝隙天线的性能，将内外触片之间的间隙宽度设定为最大值，即载流子的扩散长度，使得缝隙的宽度达到最大，以展宽天线的频带。与现有的技术相比，本专利技术具有以下优点和有益效果(1)相对于传统的只在一个波导壁开缝的波导缝隙天线，本专利技术在波导四个波导壁开缝并安装S-PIN 二极管，无需改变馈电方式即可实现方向图可重构的特性。(2)相对于波导缝隙天线阵列，本专利技术只需一个波导即可实现波束的动态变化，无需复杂的馈电网络，并减少了体积、降低了成本，并且将波束扫描角度扩展到360°。(3)为新型多功能雷达的天线设计提供了新思路根据不同的应用场合切换天线的工作方式。例如当雷达用于预警，防止被敌方锁定时，天线工作于全向天线方式；当雷达用于监视、追踪目标或路径导航时，天线工作于定向天线方式；当雷达用于侦察、搜索目标时，切换成全向扫描方式。附图说明图1为本专利技术基于S-PIN 二极管的可重构波导混合缝隙天线的结构示意图。图2为安装了 S-PIN 二极管的缝隙俯视图。图3为缝隙中部的剖面图。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术做进一步详细说明，但本专利技术的实施方式不限于此。如图1所示，可重构波导混合缝隙天线在两个波导宽壁和两个波导窄壁上均各切割16个缝隙1。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^^/2，其中如为波导波长。波导窄壁的切割方向与长棱的垂直方向有夹角(各夹角大小不同，范围为4-15° )，缝隙中心之间的距离也为le/2，并以一定深度切入波导宽壁。波导的一端用于馈电，另一端加有反射板2，开启的缝隙阵列工作在驻波形式。如图2、图3所示，缝隙1中包括内金属触片3，外金属触片4，内外金属触片之间的间隙为100 m，内金属触片的宽度为200 m,使等效本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：胡斌杰，张家乐，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：
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