CN106941213B - 扫描天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种扫描天线。该扫描天线包括：天线罩和天线探针，其中，天线罩包括：第一PCB；第一PCB的反面全部印刷有金属，并与馈地点连接；第一PCB的正面印刷有并列排列的多个金属条；其中，金属条被中间的缝隙分为左金属条和右金属条，左金属条和右金属条之间串联有变容二极管，多个金属条的全部左金属条通过第一金属线串联，多个金属条的全部右金属条通过第二金属线串联，第一金属线和第二金属线用于外接直流控制电压源。通过本发明，解决了采用相控阵列技术实现波束扫描导致的成本高、体积大的问题，降低了天线的成本，减小了天线的体积。

Description

扫描天线
技术领域
本发明涉及通信领域，具体而言，涉及一种扫描天线。
背景技术
越来越多的智能设备需要方向图可控制的波束扫描天线来实现。相关技术中的波束扫描天线采用相控阵列技术，通过控制阵列天线中各个辐射源的相对相位的变化来实现天线整体的波束扫描。
但是，由于采用相控阵列技术需要采用比较复杂的电控电路和大量的移相器件，因此，成本较高。另外，在很多需要小尺寸天线体积的情况下，相控阵列天线因为尺寸较大，使用常常带来各种不便。
针对相关技术中采用相控阵列技术实现波束扫描导致的成本高、体积大的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明提供了一种扫描天线，以至少解决采用相控阵列技术实现波束扫描导致的成本高、体积大的问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种扫描天线，包括天线罩、天线探针，所述天线罩包括：第一PCB；其中，所述第一PCB的反面全部印刷有金属，并与馈地点连接；所述第一PCB的正面印刷有并列排列的多个金属条；其中，所述金属条被中间的缝隙分为左金属条和右金属条，所述左金属条和所述右金属条之间串联有变容二极管，所述多个金属条的全部左金属条通过第一金属线串联，所述多个金属条的全部右金属条通过第二金属线串联，所述第一金属线和所述第二金属线用于外接直流控制电压源。
可选地，所述左金属条被第一缝隙分为左左金属条和左右金属条，所述右金属条被第二缝隙分为右左金属条和右右金属条，其中，所述多个金属条的全部左右金属条通过所述第一金属线串联，所述多个金属条的全部右左金属条通过所述第二金属线串联。
可选地，所述天线罩还包括：金属槽体和第二PCB，其中，所述第一PCB设置在所述金属槽体底部，所述第二PCB设置在所述金属槽体靠近槽口的位置，所述金属槽体、所述第一PCB和所述第二PCB围成封闭腔体；所述天线探针穿透所述金属槽体的侧壁伸入所述封闭腔体中；所述第二PCB正面印刷有并列排列的多个金属条；所述第二PCB的反面未印刷金属。
可选地，所述天线探针伸入所述封闭腔体中的长度为1/4个波长。
可选地，所述天线探针距所述金属槽体的底部的距离为1/4个波长；所述金属槽体的宽度和高度均为1/2个波长，所述金属槽体的长度为5个波长；所述第二PCB设置在所述金属槽体靠近所述槽口1/4个波长的位置；所述第二PCB正面印刷的多个金属条之间的间隔宽度的总和为1/10个波长。
可选地，所述天线探针穿透所述侧壁的位置设置在：所述侧壁上距所述金属槽体的一端距离为1/4个波长的位置。
可选地，所述天线探针穿透所述侧壁的位置设置在：所述侧壁上距所述金属槽体的一端距离为5/2个波长的位置。
可选地，所述第一金属线从中心截断为第三金属线和第四金属线，所述第二金属线从中心截断为第五金属线和第六金属线，其中，所述第三金属线和所述第五金属线在所述天线探针的一侧，所述第四金属线和所述第六金属线在所述天线探针的另一侧；所述第三金属线和所述第五金属线用于控制所述天线探针一侧的变容二极管；所述第四金属线和所述第六金属线用于控制所述天线探针另一侧的变容二极管。
通过本发明，采用由天线探针和天线罩构成的扫描天线，天线罩包括：第一PCB；其中，第一PCB的反面全部印刷有金属，并与馈地点连接；第一PCB的正面印刷有并列排列的多个金属条；其中，金属条被中间的缝隙分为左金属条和右金属条，左金属条和右金属条之间串联有变容二极管，多个金属条的全部左金属条通过第一金属线串联，多个金属条的全部右金属条通过第二金属线串联，第一金属线和第二金属线用于外接直流控制电压源。解决了采用相控阵列技术实现波束扫描导致的成本高、体积大的问题，降低了天线的成本，减小了天线的体积。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明实施例的扫描天线的结构示意图；
图2是根据本发明实施例的第一PCB 12的正面的可选示意图；
图3是根据本发明实施例的天线罩10的可选结构示意图一；
图4是根据本发明实施例的天线罩10的可选结构示意图二；
图5是根据本发明可选实施例的天线H面辐射增益示意图。
具体实施方式
下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
在本实施例中提供了一种扫描天线，图1是根据本发明实施例的扫描天线的结构示意图。如图1所示，该扫描天线包括：天线罩10和伸入天线罩10的天线探针20。
其中，天线罩10包括：第一PCB 12；第一PCB 12的反面全部印刷有金属，并与馈地点连接；第一PCB 12的正面印刷有并列排列的多个金属条120；其中，金属条120被中间的缝隙121分为左金属条122和右金属条123，左金属条122和右金属条123之间串联有变容二极管124，多个金属条120的全部左金属条122通过第一金属线125串联，多个金属条120的全部右金属条123通过第二金属线126串联，第一金属线125和第二金属线126用于外接直流控制电压源。
通过上述结构，根据传输线等效原理，当加载在变容二极管124的偏压改变时，变容二极管124的电容会发生改变。第一PCB 12的正面的高阻抗表面的等效阻抗会变化，电磁波的反射相位也将随之变化。所以，通过控制加载在变容二极管124的偏压便可控制入射到第一PCB 12正面的电磁波反射相位，使得第一PCB 12正面形成了反射相位可控的高阻抗表面。可见，通过上述的结构，可以实现天线辐射方向的快速扫描。相对于相控阵列器件，该扫描天线的结构简单，电压控制电路也比较简单，解决了采用相控阵列技术实现波束扫描导致的成本高、体积大的问题，降低了天线的成本，减小了天线的体积。
可选地，天线扫描范围受到变容二极管124的电容变化区间的限制；采用上述的结构，可以实现在较低的频率上的天线辐射方向的扫描；但是在高频(例如12.5GHz的频率)下，由于变容二极管124的电容无法进一步提高，使得该天线无法在高频下实现快速扫描。为了解决这一问题，在本发明的实施例中，对上述的金属条120进行了进一步的改进。
图2是根据本发明实施例的第一PCB 12的正面的可选示意图，如图2所示，左金属条122被第一缝隙1221分为左左金属条1222和左右金属条1223，右金属条123被第二缝隙1231分为右左金属条1233和右右金属条1232，其中，多个金属条120的全部左右金属条1223通过第一金属线125串联，多个金属条120的全部右左金属条1233通过第二金属线126串联。
通过上述的结构，第一缝隙1221和第二缝隙1231在高频下等效于电容。可见，通过增加第一缝隙1221和第二缝隙1231，增大了高频下第一PCB 12正面的等效阻抗；使得扫描天线也可以在高频下工作。
图3是根据本发明实施例的天线罩10的可选结构示意图一，如图3所示，可选地，天线罩10还包括：金属槽体和第二PCB 16，其中，第一PCB 12设置在金属槽体底部，第二PCB16设置在金属槽体靠近槽口的位置，金属槽体、第一PCB 12和第二PCB 16围成封闭腔体；天线探针20穿透金属槽体的侧壁伸入封闭腔体中；第二PCB 16正面印刷有并列排列的多个金属条160；第二PCB 16的反面未印刷金属。
可选地，天线探针20伸入封闭腔体中的长度为1/4个波长。
可选地，天线探针20距金属槽体的底部的距离为1/4个波长；金属槽体的宽度和高度均为1/2个波长，金属槽体的长度为5个波长；第二PCB 16设置在金属槽体靠近槽口1/4个波长的位置；第二PCB 16正面印刷的多个金属条160之间的间隔宽度的总和为1/10个波长。
可选地，天线探针20穿透侧壁的位置设置在：侧壁上距金属槽体的一端距离为1/4个波长的位置。
可选地，天线探针20穿透侧壁的位置设置在：侧壁上距金属槽体的一端距离为5/2个波长的位置。
图4是根据本发明实施例的天线罩10的可选结构示意图二，如图4所示，可选地，第一金属线125从中心截断为第三金属线1251和第四金属线1252，第二金属线126从中心截断为第五金属线1261和第六金属线1262，其中，第三金属线1251和第五金属线1261在天线探针20的一侧，第四金属1252线和第六金属线1262在天线探针20的另一侧；第三金属线1251和第五金属线1261用于控制天线探针20一侧的变容二极管1241；第四金属线1252和第六金属线1262用于控制天线探针20另一侧的变容二极管1242。
为了使本发明实施例的描述更加清楚，下面结合可选实施例进行描述和说明。
针对阵列天线结构占用空间大，需要复杂的移相器和馈电网络，成本高的问题，本发明可选实施例提供了一种方向图电扫描的谐振腔天线。
本发明可选实施例提供的天线包括：
开槽的金属铜模(相当于金属槽体)；
置于腔体上层的PCB 16(相当于第二PCB 16)作为部分反射表面，PCB 16一面刻有金属条160，另一面的覆铜全部去除；
置于腔体下层的PCB 12(相当于第一PCB 12)作为反射相位可控的高阻抗表面，PCB 12一面刻有金属条120，金属条中间留有缝隙用于焊接变容二极管124，另一面覆铜全部保留作为地；
通过铜模壁伸进腔体的同轴探针20(相当于天线探针20)；
两个直流馈电线(相当于上述的第一金属线125和第二金属线126)；
两个铜模端头。
通过上述的天线，通过馈电电压控制天线的辐射方向图，可以实现方向图的快速扫描，相比于传统的相控阵列天线结构简单，控制方法容易；而相对于机械转动扫描天线更加快速方便。
下面对天线的一种可选结构进行描述。
参见图1、图2和图3，20为伸进腔体的天线探针，天线探针长度为四分之一波长，位于腔体上下层的正中间，距天线一端距离为四分之一波长；16为部分反射表面，PCB16上层有金属贴片160(即金属条160)，下层没有金属；12为反射相位可控的高阻抗表面，PCB 12一面刻有金属贴片120(即金属条120)，并焊接变容二极管124，另一面全部为金属地；124为变容二极管；125和126用于外接控制电压源，改变控制电压的大小，变容二极管124的电容也会随之相应改变。
天线整体长度为约五个波长，腔体的宽度和高度约为半个波长；腔体上方，即部分反射表面16上方有约四分之一高度的槽。所以，前述开槽铜模的槽长度为五个波长，宽为半个波长，深度为四分之三个波长加两块PCB的厚度。
参见图3，上层的PCB 16的上层刻有统一长度的金属贴片160，单元周期长度即金属贴片160和金属贴片160之间的间隙宽度总和为十分之一波长，金属贴片160长度略小于腔体宽度，PCB 16下层的覆铜全部去除。这样，当电磁波入射到该PCB 16上时一部分被反射回去，一部分会透过缝隙穿过去，所以称之为部分反射表面。
参见图1和图2，下层的PCB 12的上层刻有金属贴片120，贴片中间刻有变容二极管124，各个金属贴片120之间相互连接用以给变容二极管124加偏压，为减弱各个金属贴片120之间的耦合，连接金属贴片120的线(相当于上述的第一金属线125和第二金属线126)越细越好；PCB 12下层全部为金属地。
当电场方向为金属贴片12长度方向的电磁波入射到该PCB 12上时会全部反射，根据传输线等效原理，当加载在变容二极管124的偏压改变时，变容二极管124的电容会发生改变，高阻抗表面的等效阻抗会变化，电磁波的反射相位也将随之变化。所以，通过控制加载在变容二极管124的偏压便可控制入射到该PCB 12表面的电磁波反射相位，故称之为反射相位可控的高阻抗表面。
图5是根据本发明可选实施例的天线H面辐射增益示意图，如图5所示，在不同的加载偏压下，天线的辐射方向会随之变化，能够实现辐射方向快速扫描功能。
在本发明可选实施例中，还提供了一种全向扫描天线。参见图4，该全向扫描天线与上述可选的天线结构的不同之处在于：同轴探针20的馈源置于天线的中间，馈源两端的变容二极管124网络独立加偏压。通过该结构，增加了天线辐射扫描范围，可以实现全空间的快速扫描功能。
综上所述，通过本发明实施例提供的上述天线，实现了天线辐射方向的快速扫描功能。并且，该天线结构简单，控制方法容易，具有强大的实用性；相对于传统的相控阵天线成本大大降低。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种扫描天线，包括天线罩、天线探针，其特征在于，所述天线罩包括：第一PCB；
其中，
所述第一PCB的反面全部印刷有金属，并与馈地点连接；所述第一PCB的正面印刷有并列排列的多个金属条；
其中，所述金属条被中间的缝隙分为左金属条和右金属条，所述左金属条和所述右金属条之间串联有变容二极管，所述多个金属条的全部左金属条通过第一金属线串联，所述多个金属条的全部右金属条通过第二金属线串联，所述第一金属线和所述第二金属线用于外接直流控制电压源。
2.根据权利要求1所述的扫描天线，其特征在于，
所述左金属条被第一缝隙分为左左金属条和左右金属条，所述右金属条被第二缝隙分为右左金属条和右右金属条，其中，所述多个金属条的全部左右金属条通过所述第一金属线串联，所述多个金属条的全部右左金属条通过所述第二金属线串联。
3.根据权利要求1所述的扫描天线，其特征在于，所述天线罩还包括：金属槽体和第二PCB，其中，
所述第一PCB设置在所述金属槽体底部，所述第二PCB设置在所述金属槽体靠近槽口的位置，所述金属槽体、所述第一PCB和所述第二PCB围成封闭腔体；
所述天线探针穿透所述金属槽体的侧壁伸入所述封闭腔体中；
所述第二PCB正面印刷有并列排列的多个金属条；所述第二PCB的反面未印刷金属。
4.根据权利要求3所述的扫描天线，其特征在于，
所述天线探针伸入所述封闭腔体中的长度为1/4个波长。
5.根据权利要求3所述的扫描天线，其特征在于，
所述天线探针距所述金属槽体的底部的距离为1/4个波长；
所述金属槽体的宽度和高度均为1/2个波长，所述金属槽体的长度为5个波长；
所述第二PCB设置在所述金属槽体靠近所述槽口1/4个波长的位置；
所述第二PCB正面印刷的多个金属条之间的间隔宽度的总和为1/10个波长。
6.根据权利要求3所述的扫描天线，其特征在于，
所述天线探针穿透所述侧壁的位置设置在：所述侧壁上距所述金属槽体的一端距离为1/4个波长的位置。
7.根据权利要求3所述的扫描天线，其特征在于，
所述天线探针穿透所述侧壁的位置设置在：所述侧壁上距所述金属槽体的一端距离为5/2个波长的位置。
8.根据权利要求7所述的扫描天线，其特征在于，
所述第一金属线从中心截断为第三金属线和第四金属线，所述第二金属线从中心截断为第五金属线和第六金属线，其中，所述第三金属线和所述第五金属线在所述天线探针的一侧，所述第四金属线和所述第六金属线在所述天线探针的另一侧；
所述第三金属线和所述第五金属线用于控制所述天线探针一侧的变容二极管；所述第四金属线和所述第六金属线用于控制所述天线探针另一侧的变容二极管。
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