34、可重构滤波天线与碳化硅雪崩渡越时间振荡器研究

可重构滤波天线与碳化硅雪崩渡越时间振荡器研究

1. 可重构滤波天线

1.1 滤波器特性

滤波器最终在2.5 - 3.2、5.25 - 5.35和5.5 - 5.65 GHz处谐振。对于这种二极管配置，该结构在宽带和两个窄带应用中都具有灵活性。当第六种二极管组合中的四个二极管处于导通状态时，所开发的滤波器作为窄带滤波器工作。

1.2 宽带天线配置

• 初始设计 ：计划的宽带天线的辐射频段为2.6 - 5.85 GHz，它基于1 mm高的FR4基板建模，由单极辐射器、接地环和倒L形谐振器组成。最初设计的半波长单极辐射器在4.45 GHz处辐射，阻抗带宽为1.4 GHz。通过部分接地平面可实现精确的阻抗匹配。
• 接地环改进 ：将矩形接地扩展为环形，以实现宽带特性。接地环增加了天线的电气长度，其全波长谐振与辐射器谐振合并，产生了2.7 - 4.3 GHz的宽带，带宽从32.3%提高到47%。
• 倒L形谐振器优化 ：在单极辐射器附近加入倒半波长L形谐振器，进一步增强天线的阻抗匹配，从而产生2.6 - 5.85 GHz的宽带。对倒L形谐振器与辐射器之间的间隙进行参数研究，以实现所需的辐射频段。最终，该宽带天线的10 dB分数带宽（FBW）达到83.33%，尺寸非常紧凑，为(28 × 28) mm²。经过参数研究，将LG1 = 22 mm和WG = 1.5 mm用于获得所需的宽带特性。

1.3 天线性能分析

• 表面电流分布 ：在较低谐振节点（2.8 GHz），接地环和单极辐射器中感应出高表面电流；在较高谐振节点（5.55 GHz），倒L形谐振器与辐射器之间产生非常高的表面电流，这改善了阻抗匹配和辐射频段的带宽。
• 增益特性 ：在三个天线谐振节点（2.8、3.9和5.55 GHz）分别实现了2.86、2.93和3.5 dBi的模拟增益。
• 辐射方向图 ：在三个谐振节点处，天线在phi = 0°和90°平面的辐射方向图呈现八形全向辐射特性。

1.4 可重构滤波天线

将滤波器结构应用于天线的馈线，以获得紧凑的可重构滤波天线。该滤波天线通过适当偏置PIN二极管，适用于各种多频段应用，包括三频段、双频段、单频段和无辐射频段配置。非辐射频段产生多个传输零点，提高了所开发结构的选择性。组合结构在多个频率下的增益图显示，最大峰值增益为6.36 dBi。

2. 碳化硅雪崩渡越时间振荡器

2.1 研究背景

科学家们一直在寻找高功率半导体源，作为高效的毫米波功率资源。IMPATT（碰撞雪崩渡越时间）器件是能够在毫米波和亚毫米波频段产生高功率的固态源，广泛应用于空间通信、民用系统、导弹导引头和高功率雷达等领域。传统的基于砷化镓（GaAs）和硅（Si）的IMPATT二极管存在功率和工作频率的限制，而宽带隙（WBG）半导体如碳化硅（SiC）具有高导热性（K）和大临界电场（Ec）等独特特性，是设计高功率IMPATT器件的理想选择。

2.2 4H - SiC的优势

4H - SiC是SiC研究中常用的两种多型之一，与6H - SiC相比，4H - SiC的载流子迁移率各向同性，接触电阻率较低，并且其IMPATT在高频性能方面更优。因此，研究人员通过模拟WBG 4H - SiC基扁平轮廓DDR（双漂移区）IMPATT二极管在毫米波频段的直流和小信号特性，来探索其产生高功率的可能性。

2.3 热稳定性的重要性

由于器件效率不高（最大约25%），相当一部分能量以热量形式耗散，导致结温升高，影响器件性能。因此，热稳定性对于器件的最佳性能至关重要。研究人员开发了3D热模型来研究器件的稳定性，并获得脉冲模式下实际工作条件下的结温。

2.4 保护环的作用

SiC器件采用反应离子蚀刻形成台面结构进行电隔离，但实际输出功率低于模拟结果。一些科学家开发的4H - SiC基高功率IMPATT二极管包含一个高电阻非晶保护环，通过钒离子注入技术构建。保护环的高电阻率和介电常数使电通量能够穿透其区域，与台面结构不同。此外，保护环的热导率较高，便于热量扩散到结区，使功率耗散比相同尺寸的台面结更高。

2.5 大信号特性方程

2.5.1 方程推导

根据Gummel - Blue方法，可推导出二极管阻抗Z(x, ω)的实部R和虚部X的二阶方程：
[
\begin{cases}
\frac{\partial^{2}R}{\partial x^{2}}+(\alpha_{n}(x)-\alpha_{p}(x))\frac{\partial R}{\partial x}-2r(\frac{\omega}{v})\frac{\partial X}{\partial x}+((\frac{\omega^{2}}{v^{2}})-H(x))R - 2\alpha(\frac{\omega}{v})X - 2(\frac{\alpha}{v\varepsilon}) = 0\
\frac{\partial^{2}X}{\partial x^{2}}+(\alpha_{n}(x)-\alpha_{p}(x))\frac{\partial X}{\partial x}-2r(\frac{\omega}{v})\frac{\partial R}{\partial x}+((\frac{\omega^{2}}{v^{2}})-H(x))X + 2\alpha(\frac{\omega}{v})R + 2(\frac{\omega}{v^{2}\varepsilon}) = 0
\end{cases}
]
其中：
[
\begin{align }
v&=\sqrt{v_{p}v_{n}}^{0.5}\
\alpha&=\frac{\alpha_{p}v_{p}+\alpha_{n}v_{n}}{2v}\
r&=\frac{v_{p}-v_{n}}{2v}\
H&=(\frac{J}{v\varepsilon})2\frac{d\alpha}{dE}+y\frac{d(\alpha_{n}-\alpha_{p})}{dE}
\end{align }
]
H为线性化因子，JDC为总直流电流密度，ε为半导体的介电常数。

2.5.2 边界条件

在x = -x1处：
[
\begin{cases}
y = \frac{v\varepsilon}{J}(\frac{dE_{m}}{dx})\frac{\partial R}{\partial x}+\frac{\omega X}{v_{ns}}=-\frac{1}{v_{ns}\varepsilon}\
\frac{\partial X}{\partial x}-\frac{\omega R}{v_{ns}} = 0
\end{cases}
]
在x = x2处：
[
\begin{cases}
\frac{\partial R}{\partial x}-\frac{\omega X}{v_{ps}}=\frac{1}{v_{ps}\varepsilon}\
\frac{\partial X}{\partial x}+\frac{\omega R}{v_{ps}} = 0
\end{cases}
]

2.5.3 数值计算

通过数值积分R(x)和X(x)曲线，可计算特定频率（ω）和电流密度JDC下的总集成二极管负电阻ZR和电抗ZX：
[
\begin{align }
Z_{R}&=\int_{-x_{1}}^{x_{2}}R(x)dx\
Z_{X}&=\int_{-x_{1}}^{x_{2}}X(x)dx
\end{align }
]
总二极管阻抗Ztotal(ω)为：
[
Z_{total}(\omega)=\int_{-x_{1}}^{x_{2}}Z(x,\omega)dx = Z_{R}+jZ_{X}
]
二极管导纳Y为：
[
Y=\frac{1}{Z_{total}}=G + jB=\frac{1}{(Z_{R}+jZ_{X})}
]
二极管的总负电导G和正电纳B可通过以下公式计算：
[
\begin{align }
|-G(\omega)|&=\frac{Z_{R}}{\sqrt{Z_{R}^{2}+Z_{X}^{2}}}\
|B(\omega)|&=\frac{-Z_{X}}{\sqrt{Z_{R}^{2}+Z_{X}^{2}}}
\end{align }
]

2.6 模拟方法

2.6.1 掺杂分布设计

IMPATT二极管的工作频率主要取决于载流子穿越二极管耗尽层的渡越时间。使用Sze和Ryder的渡越时间公式Wn,p = 0.37 V sn,sp/f，设计了用于0.3 THz频率的SiC IMPATT的双漂移p + pnn + 结构。其中，n + 和p + 层为高掺杂衬底，n和p为外延层。

2.6.2 材料和设计参数

4H - 碳化硅（4H - SiC）在300 K时的材料参数如下表所示：
| 参数 | 值 |
| — | — |
| a1 | 10.00 |
| b1 (× 10¹⁷ v³ m⁻²) | 4.0268 |
| a2 (× 10⁻¹⁸ v⁻¹ m²) | 4.1915 |
| b2 (× 10⁻¹⁰ m) | 4.6428 |
| ah1 | 10.00 |
| bh1 (× 10¹⁷ v³ m⁻²) | 4.0268 |
| ah2 (× 10⁻¹⁸ v⁻¹ m²) | 4.1915 |
| bh2 (× 10⁻¹⁰ m) | 4.6428 |
| 电子饱和漂移速度vsn (× 10⁵ m/s) | 2.12 |
| 空穴饱和漂移速度vsp (× 10⁵ m/s) | 1.08 |
| 电子迁移率μn (× 10⁻¹ m²/V s) | 1.00 |
| 空穴迁移率μp (m²/V s) | 0.10 |
| 介电常数ε (× 10⁻¹² F/m) | 76.00734 |

注：*此处ah1、bh1、ah2、bh2的值在低场和高场中相同。

2.7 总结

可重构滤波天线在多频段应用中具有出色的性能，通过合理设计滤波器和天线结构，能够实现宽带和窄带的灵活切换，满足不同的通信需求。而碳化硅雪崩渡越时间振荡器在高功率毫米波应用中具有潜力，4H - SiC材料的优势以及热稳定性的研究为其高效运行提供了保障。大信号特性方程和模拟方法为进一步优化器件性能提供了理论基础。

通过以上研究，我们可以看到可重构滤波天线和碳化硅雪崩渡越时间振荡器在现代通信和雷达等领域具有重要的应用前景。未来的研究可以进一步探索如何提高它们的性能，例如提高天线的增益和效率，增强振荡器的输出功率和稳定性等。

3. 可重构滤波天线与振荡器性能对比

3.1 性能指标对比

性能指标	可重构滤波天线	碳化硅雪崩渡越时间振荡器
工作频段	多频段（2.5 - 3.2、5.25 - 5.35、5.5 - 5.65 GHz等）	毫米波频段（如0.3 THz）
输出功率	未明确提及	可产生高功率，但受散热限制
增益	最大峰值增益6.36 dBi	未明确提及
稳定性	结构灵活，适用于多种频段配置	需关注热稳定性
尺寸	紧凑（28 × 28）mm²（天线），（60 × 26）mm²（滤波天线）	未明确提及

从这个表格可以清晰地看出，可重构滤波天线和碳化硅雪崩渡越时间振荡器在不同方面各有优劣。可重构滤波天线在频段配置的灵活性和尺寸紧凑性上表现出色，而碳化硅雪崩渡越时间振荡器则在高功率输出方面具有潜力，但需要解决热稳定性问题。

3.2 应用场景对比

• 可重构滤波天线 ：适用于需要在不同频段之间切换的无线通信系统，如蓝牙、WiMax和WLAN等。其多频段配置和全向辐射特性使其能够满足多种通信标准的需求。
• 碳化硅雪崩渡越时间振荡器 ：主要应用于毫米波和亚毫米波频段的高功率系统，如导弹导引头、高功率雷达等。在这些应用中，高功率输出是关键要求。

4. 技术发展趋势

4.1 可重构滤波天线发展趋势

• 更高的集成度 ：未来的可重构滤波天线可能会将滤波器、天线和其他电路元件集成在一个芯片上，进一步减小尺寸，提高系统的整体性能。
• 更宽的频段覆盖 ：为了满足不断增长的通信需求，天线可能会实现更宽的频段覆盖，同时保持良好的性能。
• 智能化控制 ：通过引入智能控制算法，天线可以根据不同的环境和应用需求自动调整频段和辐射模式。

4.2 碳化硅雪崩渡越时间振荡器发展趋势

• 更高的功率输出 ：随着材料和工艺的不断改进，振荡器有望实现更高的功率输出，满足更严格的应用要求。
• 更好的热管理 ：热稳定性是振荡器面临的主要挑战之一，未来的研究将致力于开发更有效的热管理技术，降低结温，提高器件的可靠性。
• 频率可调性 ：实现振荡器的频率可调性将使其在更多的应用场景中发挥作用，如认知无线电系统。

5. 实际应用案例分析

5.1 可重构滤波天线在无线通信中的应用

在一个多标准无线通信系统中，可重构滤波天线可以根据不同的通信协议自动切换频段。例如，当系统需要进行蓝牙通信时，天线可以切换到蓝牙频段（2.4 - 2.4835 GHz）；当需要进行WiMax通信时，天线可以切换到相应的WiMax频段（2.3 - 2.7 GHz、3.3 - 3.8 GHz等）。这种灵活性使得系统能够兼容多种通信标准，提高了通信的效率和可靠性。

5.2 碳化硅雪崩渡越时间振荡器在雷达系统中的应用

在高功率雷达系统中，碳化硅雪崩渡越时间振荡器可以作为高功率毫米波信号源。其高功率输出能够提高雷达的探测距离和精度。例如，在导弹导引头中，振荡器可以提供足够的功率，使导引头能够准确地跟踪目标。同时，通过优化热管理系统，可以确保振荡器在长时间工作时的稳定性。

6. 总结与展望

6.1 总结

可重构滤波天线和碳化硅雪崩渡越时间振荡器是两种具有重要应用前景的技术。可重构滤波天线通过灵活的频段配置和紧凑的尺寸，适用于多种无线通信系统；而碳化硅雪崩渡越时间振荡器则在高功率毫米波应用中具有潜力，但需要解决热稳定性问题。通过对它们的性能、应用场景和发展趋势的分析，我们可以更好地了解这两种技术的特点和优势。

6.2 展望

未来，随着技术的不断进步，可重构滤波天线和碳化硅雪崩渡越时间振荡器有望在性能上得到进一步提升。可重构滤波天线可能会实现更高的集成度和更宽的频段覆盖，而碳化硅雪崩渡越时间振荡器可能会实现更高的功率输出和更好的热管理。这两种技术的发展将为无线通信、雷达等领域带来新的机遇和挑战。

以下是一个mermaid流程图，展示了可重构滤波天线和碳化硅雪崩渡越时间振荡器的技术发展过程：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;

    A(可重构滤波天线):::process --> B(更高集成度):::process
    A --> C(更宽频段覆盖):::process
    A --> D(智能化控制):::process
    E(碳化硅雪崩渡越时间振荡器):::process --> F(更高功率输出):::process
    E --> G(更好热管理):::process
    E --> H(频率可调性):::process

这个流程图清晰地展示了可重构滤波天线和碳化硅雪崩渡越时间振荡器的未来发展方向。通过不断的研究和创新，这两种技术有望在未来的通信和雷达系统中发挥更加重要的作用。