S-PIN固态等离子体频率可重构芯片天线研究

发布时间：2020-05-05 20:51

【摘要】：天线作为无线通信系统中电磁波发射与接收的主要部件,它的性能对整个系统的工作能力起着重要的作用。本文提出了一种新型横向PIN管(Surface PIN,S-PIN)固态等离子体,并基于此S-PIN设计了几款频率可重构芯片天线。S-PIN固态等离子体基于硅基集成电路制造工艺,与PIN二极管不同之处在于能够形成类金属特性的等离子体通道,使固态等离子体天线具备低损耗、低成本等优点,同时能解决毫米波通信的挑战。本文具体工作内容和创新点有:1.根据国内目前的半导体工艺水平,提出一种新型双S-PIN固态等离子体。通过理论分析、COMSOL Multiphysics半导体仿真与CST STUDIO SUITE全波仿真,研究双S-PIN结构尺寸和硅片电阻率对固态等离子体区载流子浓度和功耗的影响,研究不同芯片硅基电阻率对双S-PIN微波传输特性的影响,优化得到适用于缝隙芯片天线的双S-PIN固态等离子体。2.研究本文提出的双S-PIN固态等离子体的电气特性,包括电势分布、载流子浓度、伏安特性、热分析和开关特性。仿真结果表明,当双S-PIN的偏置电压为1 V时,I区载流子浓度达到10~188 cm~(-3),该新型双S-PIN固态等离子单元作为射频开关在0.1 GHz至30 GHz范围内插损小于1.3 dB,隔离度大于12.4 dB,与普通PIN管相比载流子浓度高、损耗低、可工作于毫米波并具有宽带特性。3.在双S-PIN固态等离子体的基础上,提出一款硅基X与Ka波段S-PIN频率可重构芯片天线单元与阵列。通过激发不同位置S-PIN的导通和截止,改变缝隙芯片天线有效长度,实现频率重构。研究直流偏置馈线、载流子浓度和芯片硅基电阻率对天线增益、副瓣电平、总辐射效率的影响,优化天线设计。仿真结果表明,天线阵列可在10 GHz和31 GHz切换,实现三倍频重构,两个工作频段带宽均大于6%,可实现增益大于10 dBi。制备X与Ka波段S-PIN固态等离子体频率可重构芯片天线样品,设计天线外围测试系统,测试了天线中双S-PIN单元的伏安特性,对测试结果进行数据分析并得到相关结论。4.提出一款X与Ku波段S-PIN固态等离子体频率可重构芯片天线,通过控制双S-PIN固态等离子体通断,调整天线阻抗匹配点,使天线的两个工作频段共用一个微带馈线,减小多个馈线之间的耦合。仿真结果表明,该款天线可在8.5 GHz和15.5 GHz切换,实现两倍频重构。
【图文】：

示意图,等离子体,高通,低阻

为固态等离子体的电导率。态等离子体电导率等离子体的电导率为：220pe e enem 9 可以看出，固态等离子体的电导率随着等离子体振荡频率的增加荡频率主要受载流子浓度的影响，当载流子浓度大于或等于属特性。态等离子体的等效折射率等离子体的折射率含义为光在真空中的速度与光在固态等离子体的等效折射率为： 21pt renj 18 10

变化曲线,趋肤深度,硅基,变化曲线

过孔层高度 lpla等离子体区体区高度态等离子体导通时，将 P+区、I 区和 N+区称为等离子体区。电，在垂直于界面方向的电磁波产生的电流密度呈指数衰减，称度一般为 2 至 3 个趋肤深度[23]，趋肤深度的计算公式为2pla 在固态等离子体中电磁波的频率，，和分别为固态等离子体着电磁波频率升高而减小。设固态等离子体区载流子浓度为阻率和掺杂浓度的关系[67]，计算出如图 3.4 中所示趋肤深度随线工作最低频率为 X 波段，即 8GHz 至 12GHz。设 f=10GH69μm，则双 S-PIN 固态等离子体区的高度为 27.38μm至 41.30μm 。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN820;TN40

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