CN106257746A - 一种可编程重构的全固态等离子体倒装s‑pin天线 - Google Patents

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周永刚
钱燊
陈鑫
薛锋
刘季煊
俞劭杰
胡玥虹
史向柱
秦江弘
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Abstract

本发明公开了一种可编程重构的全固态等离子体倒装S‑PIN天线，包括硅基S‑PIN层、陶瓷介质基板、穿孔电极、控制电路板、控制电路、控制芯片；硅基S‑PIN层包括若干个由S‑PIN重掺杂P+区、S‑PIN重掺杂N+区、S‑PIN本征层I区组成的S‑PIN固态等离子体单元和绝缘隔离层；S‑PIN重掺杂P+区、S‑PIN重掺杂N+区均运用低温共烧陶瓷技术通过穿孔电极穿过陶瓷介质基板与控制电路连接，控制电路将控制芯片连接起来。本发明采用倒装S‑PIN与低温共烧陶瓷技术相结合的方式，将S‑PIN单元的电极设计在陶瓷介质基板内部，控制电路设计在天线背板，可有效减小电极和控制电路对天线性能的影响，提高天线性能的稳定性和可靠性。同时运用S‑PIN单元构造天线主体，可构造天线形式多样，工作波段不受限制。

Description

一种可编程重构的全固态等离子体倒装S-PIN天线
技术领域
本发明涉及一种可编程重构的全固态等离子体倒装S-PIN天线，具体涉及一种采用硅基半导体S-PIN(Surface-PIN)工艺技术和低温共烧陶瓷(LTCC)技术的可编程重构的全固态等离子体倒装S-PIN天线，属于等离子体天线技术领域。
背景技术
天线***作为影响雷达***和通讯***性能的核心部件之一，其性能的优良对***功能有着举足轻重的影响，此基础上，人们希望能用尽可能少的天线满足所有无线***的要求，然而这些无线电***的工作频率通常分布在很宽的频带内，工作体制也各不相同，对天线的参数，如工作频率、方向图、极化方式等，有着不同甚至是截然相反的要求，因此在不同的工作环境以及不同的***条件下，实现天线各种参数的可重构，给现代无线通讯***提供了一个全新的发展思路。另外，由于天线***的雷达散射截面(Radar CrossSection，RCS)较大，也极易成为敌方雷达察觉及攻击的突出对象。因此提高天线***的综合性能指标(包括隐身性能)具有重要的意义。等离子体天线由于其所具备的结构简单、重量轻、隐身效果好等特点，使其成为天线领域最具潜力的研究方向之一。
等离子体天线与传统的金属天线相比，具有独特的优点，主要包括：1)隐身性：当除去电离状态后，等离子体天线将不会产生后向散射雷达波，也不会吸收可降低电子对抗效能的高功率微波辐射；2)适应于多种信号：等离子体天线具有可动态重构的特性，如带宽、频率、增益和指向性；3)便于远程布置：等离子体天线比常规天线设计更轻、体积更小；4)效率更高：等离子体天线可极大降低冲击激励效应，从而提高短脉冲雷达的性能。但是，一般的固态等离子体天线容易受到电极以及控制电路的影响，从而导致天线性能的降低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种可编程重构的全固态等离子体倒装S-PIN天线，有效减小电极和控制电路对天线性能的影响，提高了天线性能的稳定性和可靠性。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种可编程重构的全固态等离子体倒装S-PIN天线，包括从上到下依次设置的硅基S-PIN层、陶瓷介质基板和控制电路板；所述硅基S-PIN层由若干个S-PIN固态等离子体单元以及将每个S-PIN固态等离子体单元隔离开来的绝缘隔离层组成，所述S-PIN固态等离子体单元包括S-PIN重掺杂P+区、S-PIN重掺杂N+区和S-PIN本征层I区，S-PIN重掺杂P+区、S-PIN重掺杂N+区和S-PIN本征层I区构成长方体结构，且S-PIN重掺杂P+区、S-PIN重掺杂N+区位于硅基S-PIN层的下表面与陶瓷介质基板相接触；陶瓷介质基板内部设有穿孔电极；控制电路板上设置有控制芯片及将控制芯片连接起来的控制电路；S-PIN重掺杂P+区、S-PIN重掺杂N+区分别通过穿孔电极与控制电路相连接。
作为本发明的进一步方案，该天线在硅基S-PIN层的上方还设有一层厚度可调节的衬底。
作为本发明的优选方案，所述S-PIN重掺杂P+区、S-PIN重掺杂N+区采用低温共烧陶瓷技术分别通过穿孔电极与控制电路相连接。
作为本发明的优选方案，所述控制芯片通过控制电路激发相应位置的S-PIN固态等离子体单元中的S-PIN重掺杂P+区、S-PIN重掺杂N+区，此时该S-PIN固态等离子体单元中的S-PIN本征层I区产生高浓度载流子，形成天线的辐射单元。
作为本发明的优选方案，所述长方体结构中，S-PIN本征层I区为倒凸字形，S-PIN重掺杂P+区、S-PIN重掺杂N+区分别位于倒凸字形的两个缺角上。
作为本发明的优选方案，所述绝缘隔离层将硅基S-PIN层均匀隔离成若干个格子，每个格子中有一个S-PIN固态等离子体单元。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明天线采用倒装S-PIN技术与低温共烧陶瓷(LTCC)技术相结合，使得控制S-PIN单元的电极位于陶瓷介质基板的内部，控制电路板位于天线背板，在不降低S-PIN工作效率的前提下能有效减少电极和控制电路对天线性能的影响，提高了天线性能的稳定性和可靠性。
2、本发明天线的S-PIN层中还包含交错排列的绝缘层，能够实现对每一个单独的S-PIN单元的精准控制，形成不同形状的等离子体天线辐射单元，并实现天线结构的重构，工作波段不受限制，突破了传统天线设计模式。
3、本发明天线的S-PIN单元，重掺杂P+区与重掺杂N+区位置相互交错，或者顺序排列，可实现任意的天线形式，所能构造的天线结构种类多样，突破传统天线限制。且S-PIN单元采用倒装结构，表面的衬底厚度能够可调，起天线罩的作用，增加了天线辐射能力。
4、本发明天线在未施加外接电压时，半导体中的载流子未被激发，天线的辐射面表现为介质属性，此时天线的RCS远小于金属天线。
5、本发明天线在半导体工艺发展较为成熟的基础上，天线制作成本较低；且具有可隐身、可集成、可编程重构的特点，在雷达、通信、电子对抗、隐身等各个领域均有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明可编程重构的全固态等离子体倒装S-PIN天线结构的俯视图。
图2是本发明可编程重构的全固态等离子体倒装S-PIN天线结构的侧视图。
图3是本发明辐射单元控制***工作示意图。
图4是本发明可编程重构的全固态等离子体倒装S-PIN天线工作状态示意图。
其中，1为硅基S-PIN层，2为S-PIN固态等离子体单元，3为S-PIN重掺杂P+区，4为S-PIN重掺杂N+区，5为S-PIN本征层I区，6为绝缘隔离层，7为陶瓷介质基板，8为穿孔电极，9为控制电路板，10为控制电路，11为控制芯片。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
如图1、图2所示，分别为本发明可编程重构的全固态等离子体倒装S-PIN天线结构的俯视图、侧视图。本发明天线由硅基S-PIN层1、S-PIN固态等离子体单元2、绝缘隔离层6、陶瓷介质基板7、穿孔电极8、控制电路板9、控制电路10、控制芯片11组成。其中，硅基固态等离子体S-PIN层1由若干个S-PIN重掺杂P+区3、S-PIN重掺杂N+区4、S-PIN本征层I区5、绝缘隔离层6组成。S-PIN固态等离子体单元2由S-PIN重掺杂P+区3、S-PIN重掺杂N+区4、S-PIN本征层I区5组成。S-PIN重掺杂P+区3和S-PIN重掺杂N+区4均运用低温共烧陶瓷(LTCC)技术通过穿孔电极8穿过陶瓷介质基板7与控制电路10连接，控制电路10将控制电路板9上的控制芯片11连接起来。
如图3所示，为本发明辐射单元控制***工作示意图。通过控制电路板9上控制芯片11中的相关程序控制，激发相应位置的S-PIN重掺杂P+区3和S-PIN重掺杂N+区4，在S-PIN本征层I区5产生大量的高浓度载流子，从而在硅基S-PIN层1形成具有类金属特性的S-PIN固态等离子体单元2，最终组成天线的辐射单元，形成所需天线形式。而未被激发的区域表现为介质属性，从而可实现任意形式的天线结构形式，突破传统天线限制。如图4所示，为可编程重构的全固态等离子体倒装S-PIN天线的工作状态示意图。
本天线突破传统天线形式，运用倒装S-PIN与共烧陶瓷LTCC技术相结合，将电极设计在陶瓷介质基板内部，控制电路板设计在天线背板，有效减少了电极和控制电路对天线性能的影响，提高了天线性能的稳定性和可靠性。S-PIN层中还包含交错排列的绝缘层，能够实现对每一个单独的S-PIN单元的精准控制，形成不同形状的等离子体天线辐射单元，并实现天线结构的重构。所设计的S-PIN单元重掺杂P+区和重掺杂N+区位置相互交错，或顺序排列，实现任意的天线形式，所能构造的天线结构种类多样，突破传统天线限制。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种可编程重构的全固态等离子体倒装S-PIN天线，其特征在于，包括从上到下依次设置的硅基S-PIN层、陶瓷介质基板和控制电路板；所述硅基S-PIN层由若干个S-PIN固态等离子体单元以及将每个S-PIN固态等离子体单元隔离开来的绝缘隔离层组成，所述S-PIN固态等离子体单元包括S-PIN重掺杂P+区、S-PIN重掺杂N+区和S-PIN本征层I区，S-PIN重掺杂P+区、S-PIN重掺杂N+区和S-PIN本征层I区构成长方体结构，且S-PIN重掺杂P+区、S-PIN重掺杂N+区位于硅基S-PIN层的下表面与陶瓷介质基板相接触；陶瓷介质基板内部设有穿孔电极；控制电路板上设置有控制芯片及将控制芯片连接起来的控制电路；S-PIN重掺杂P+区、S-PIN重掺杂N+区分别通过穿孔电极与控制电路相连接。
2.根据权利要求1所述可编程重构的全固态等离子体倒装S-PIN天线，其特征在于，该天线在硅基S-PIN层的上方还设有一层厚度可调节的衬底。
3.根据权利要求2所述可编程重构的全固态等离子体倒装S-PIN天线，其特征在于，所述S-PIN重掺杂P+区、S-PIN重掺杂N+区采用低温共烧陶瓷技术分别通过穿孔电极与控制电路相连接。
4.根据权利要求2所述可编程重构的全固态等离子体倒装S-PIN天线，其特征在于，所述控制芯片通过控制电路激发相应位置的S-PIN固态等离子体单元中的S-PIN重掺杂P+区、S-PIN重掺杂N+区，此时该S-PIN固态等离子体单元中的S-PIN本征层I区产生高浓度载流子，形成天线的辐射单元。
5.根据权利要求2所述可编程重构的全固态等离子体倒装S-PIN天线，其特征在于，所述长方体结构中，S-PIN本征层I区为倒凸字形，S-PIN重掺杂P+区、S-PIN重掺杂N+区分别位于倒凸字形的两个缺角上。
6.根据权利要求2所述可编程重构的全固态等离子体倒装S-PIN天线，其特征在于，所述绝缘隔离层将硅基S-PIN层均匀隔离成若干个格子，每个格子中有一个S-PIN固态等离子体单元。
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