固态等离子体可重构全息天线关键技术研究

发布时间：2020-09-22 21:36

　　在现代无线通讯设备中,天线作为电磁波辐射和接收的部件,其制作材料往往由金属构成。然而传统金属天线的辐射频率不易改变,集成度低。为了克服传统金属天线的相应缺陷,使用等离子体可重构天线可以有效地解决上述问题。由于在加电情况下半导体内会产生大量载流子,当载流子浓度大到一定值时可认为半导体内形成了等离子体。这种等离子体的密度高,且易于实现天线的可重构,提高天线的集成度和隐身性能,在天线领域有良好的应用前景。本文首先在分析正向和反向偏置电压下PIN二极管的工作特点的基础上,研究了大注入下i区载流子浓度的分布特点,得出了折射率,介电常数,趋肤深度与等离子体浓度的关系,结果表明,介电常数随等离子体浓度增加而减小;固态等离子体折射率的越高,反射的信号频率也越高;等离子体浓度越大,趋肤深度深度越小,等离子体对电磁波的反射效果就越好,固态等离子体浓度决定了电磁波能否在其中传播。针对固态等离子体可重构天线的工作机制和构建方式,重点研究了PIN二极管天线的频率和方向可重构方式。通过分析PIN二极管物理尺寸和衬底尺寸对天线谐振频率、增益、输入阻抗、驻波比、辐射效率的影响,得出了当I区厚度大于2-3个趋肤深度时,I区高度对谐振频率,S11以及增益的影响不大;谐振频率随着I区宽度的增加,而S11和增益性能都得到一定的提升;衬底面积增加了天线的有效长度,使得天线的回波损耗减小,同时改善了天线与传输系统的阻抗匹配效果,拓展了频带宽度提高I区电导率有利于增强天线的金属性,提高天线各方面的性能,在条件允许的情况下应该使I区电导率尽量提高。在以上研究基础上,本文设计了一种全新的可重构PIN二极管全息天线结构。该天线通过控制SPiN二极管的导通长度,控制不同固态等离子体全息结构的导通与关断,实现天线的频率可重构,仿真结果表明,通过控制不同的SPIN二极管的导通状态,该天线能够实现在63.8GHz,58.8GHz,54.3GHz三个频点的可重构,且在这三个频点的辐射增益均大于6dB。与目前同类型的全息天线相比,其尺寸明显减小,且具有良好的可重构性。最后在频率可重构天线的基础上加入了控制天线方向的全息结构,该天线可以实现偏离干涉平面法线17°的方向可重构,增益为4.65dB,实现了频率和方向可重构的功能,对固态等离子全息天线的设计与应用具有重要的参考价值。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O53;TN820
【部分图文】：

阻抗转换器,偶极子天线,可重构,馈电

[6]。图1.1 硅片上的可重构偶极子天线，由阻抗转换器馈电2010 年，Bryan H. Fong 等人用人工阻抗表面的单极子天线构建了全息天线，将单极子天线用人工阻抗表面包围，用人工阻抗表面模拟全息结构的干涉条纹，从而使天线能够产生任意方向的高增益波束，且制作过程简单[7]。2010 年，Yevhen 等人研究了固态等离子体浓度随 SPIN 二极管物理结构尺寸变化的规律，发现了 SOI 基制作的 SPiN 结构具有较低的微波损耗。研究表明

反射器,俯视图,等离子体,平面

天线的增益，方向性，辐射方向图与金属元件的差别不大。该天线通过引入电可重构单元实现了天线的一线多用。图1.2 平面上 15 个等离子体反射器的俯视图1.2.2 国内研究概况相比于国外，国内对于可重构天线天线的研究较少，目前比较有代表性的研究成果有：2013 年，张家乐研究了 SPIN 二极管在不同掺杂浓度下的载流子密度与电流密度的分布变化，设计并仿真两款了具有全向辐射功能的可重构天线。一款是在矩形波导壁上切割缝隙，在缝隙中生长 SPIN 二极管开关来实现方向图在波导横切面的 360°扫描；另一款是通过 SPIN 二极管开关控制六个辐射贴片可重构圆盘微带天线，能在锥面实现全向扫描[11]。2013 年，Tao su 等人基于全息的原理，设计了应用于微波频段的全息天线。实现了偏离干涉平面 60°的辐射

方向图,偶极子天线,弯折,可重构

入与弯折偶极子相连的直偶极子和寄生单元，改善了天线阻抗带宽窄的问题，如图1.3 所示。该方法拓宽了方向图带宽，且辐射方向稳定。图1.3 方向可重构弯折偶极子天线结构2018 年，重庆邮电大学 Bo Yin 等人提出了一种新的等离子体可重构天线结构。该天线增加了等离子体柱反射器阵列，通过控制不同等离子体柱的开关，从而使天线的辐射方向改变，同时提高天线的增益。当等离子体柱关闭时，天线具有隐身性。此外，具有相同相位和振幅的信号被同时馈送到等离子体天线阵，从而大大降低了天线全向扫描实现的技术难度[16]。

【参考文献】