一種新型ITS系統(tǒng)天線分析與設(shè)計(jì)

劉炷　張弘　萬(wàn)鵬　蘭敏

【摘要】 針對(duì)新一代智能交通系統(tǒng)（ITS）終端對(duì)天線的要求，本文提出了一種全新的微型圓極化貼片陣列天線的理念，該天線的輻射單元是基于加載縫隙的方形貼片而形成的。為了更好擴(kuò)展其輻射帶寬，該輻射單元使用了先進(jìn)的耦合饋電方式。該天線無(wú)論是在仿真過(guò)程還是實(shí)際檢測(cè)階段都能夠表現(xiàn)出極好的阻抗及軸比帶寬。文中給出并對(duì)比了仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，該天線具有結(jié)構(gòu)緊湊，饋電簡(jiǎn)單、圓極化特性好、易于制作等優(yōu)點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】 智能交通系統(tǒng) 圓極化 軸比帶寬

近年來(lái)，智能傳輸系統(tǒng)（Intelligent Transportation System，ITS）是通訊技術(shù)中發(fā)展最快速的一種全新技術(shù)，由于其具有實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效等特點(diǎn)，能夠有效地降低車(chē)禍傷亡及運(yùn)輸擁塞，減小經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)有利于發(fā)展經(jīng)濟(jì)，降低資源消耗率，已成為世界各國(guó)交通系統(tǒng)研究建設(shè)的熱點(diǎn)。如圖1所示為智能交通系統(tǒng)基本構(gòu)成，其主要由車(chē)輛、車(chē)載終端及路旁單元構(gòu)成，可隨時(shí)預(yù)警前方危險(xiǎn)路況，大幅提高交通安全性、防患于未然。作為實(shí)現(xiàn)ITS系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，智能通信終端的性能最準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、全方位數(shù)據(jù)采集、獲取及處理具有重要作用，其通信系統(tǒng)具有全時(shí)、全天候、穩(wěn)定、可靠、高質(zhì)量、大容量和自動(dòng)通信等特點(diǎn)，系統(tǒng)對(duì)終端天線的極化適應(yīng)性具有特殊要求。智能交通系統(tǒng)終端分車(chē)載及路旁單元，基于路況、使用環(huán)境及平臺(tái)多樣性考慮，圓極化天線更適用于具有多樣性及復(fù)雜的ITS系統(tǒng)?；?.8GHz車(chē)載終端公用性、尺寸及能耗等多方面考慮，ITS車(chē)載終端對(duì)天線的帶寬、體積、性能及極化純度要求極高。隨著車(chē)輛各項(xiàng)功能的不斷完善，車(chē)載無(wú)線系統(tǒng)的工作頻段朝多樣化發(fā)展，當(dāng)多個(gè)車(chē)載無(wú)線終端共用同一個(gè)天線時(shí)，要求天線能夠?qū)拵Чぷ骰蛘叨囝l段工作，而實(shí)現(xiàn)軸比的寬帶或多頻段特性是圓極化天線作為各車(chē)載終端共用天線的一個(gè)難題。

圖1 ITS示意圖

天線采用加載縫隙的方形貼片作為輻射器，計(jì)算出初值后對(duì)單元及饋電網(wǎng)絡(luò)各部分尺寸進(jìn)行優(yōu)化。最后實(shí)測(cè)結(jié)果表明天線10dB阻抗帶寬為9%（5.51GHz～6GHz），波束寬度（Phi=0o）為60度，3dB軸比帶寬為3%（5.71GHz～5.88GHz），天線的增益在工作頻段大于7.5dBi。

一、天線設(shè)計(jì)原理

1.1 天線單元

如右圖2所示的是改善后天線的輻射單元結(jié)構(gòu)，該單元結(jié)構(gòu)采用的是加載縫隙方形貼片，并以縫隙耦合方式實(shí)現(xiàn)單元饋電。為改善天線的圓極化輻射性能，在方形貼片中心位置附加耦合槽，以產(chǎn)生額外的諧振點(diǎn)增加天線帶寬。貼片中心槽及耦合饋電枝節(jié)各參數(shù)會(huì)影響到天線的外部電流，故其參數(shù)的確定必須要對(duì)天線整體進(jìn)行進(jìn)一步完善。因天線的外部電流決定了天線阻抗及方向圖特性，所以首先必須計(jì)算貼片單元各部分初值，計(jì)算方法主要采用數(shù)值法，具體如下：

（1） w（貼片長(zhǎng)度）：該貼片長(zhǎng)度的真實(shí)數(shù)值對(duì)微帶天線的帶寬及輻射強(qiáng)度影響較大，主要是依靠計(jì)算微帶天線的傳輸線模型的方法得到。其數(shù)值必須小于下式計(jì)算值，否則會(huì)導(dǎo)致高次模輻射，最終造成方向圖畸變。

（2） P（切角深度，）：采用以下計(jì)算公式可以得出切角深度的初值：

上式中，ΔS表示切角面積，S表示矩形貼片面積，Q0則表示貼片的品質(zhì)系數(shù)。

貼片的面積不同所產(chǎn)生的的擾動(dòng)值也有差別，切角深度對(duì)天線的帶寬具有較大的影響，在一定程度上能夠改善帶寬；換個(gè)角度來(lái)說(shuō)，切角深度還是軸比帶寬的主要影響因素。

（3） w1（耦合枝節(jié)長(zhǎng)度）：貼片長(zhǎng)度與切角深度二者之差即為耦合枝節(jié)長(zhǎng)度的初值，即w-p，我們通過(guò)對(duì)三維電磁仿真軟件進(jìn)行優(yōu)化可得出其最終值。

（4） l1（縫隙長(zhǎng)度）：耦合枝節(jié)長(zhǎng)度w1相對(duì)于貼片上縫隙的長(zhǎng)度稍小，我們也可以通過(guò)優(yōu)化來(lái)獲取其最終值。

下表1所示為天線輻射單元的各尺寸在經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的數(shù)值：

表1 優(yōu)化后的輻射單元尺寸值

參數(shù)名稱(chēng) w1 w2 p1 p2 d1

數(shù)值（毫米）mm 9.7 10.3 1.7 1.7 6.86

參數(shù)名稱(chēng) l g1 g2 g3 g4

數(shù)值（毫米）mm 7.3 0.15 0.6 0.3 0.6

1.2 天線結(jié)構(gòu)

在對(duì)單元優(yōu)化的基礎(chǔ)上，選定如圖3所示的寬帶饋電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成四單元陣列天線，單元間距a初值設(shè)定為1.5，上述各參數(shù)決定后，便可以進(jìn)行仿真優(yōu)化，四個(gè)輻射單元饋電相位以九十度相鄰排列，采用引入九十度相位延遲線的方法產(chǎn)生單元間的九十度饋電相位差。為驗(yàn)證天線的輻射特性，依據(jù)優(yōu)化結(jié)果實(shí)際加工出的天線實(shí)物如圖4所示，饋電口采用SMA接頭。

圖3 圓極化陣列天線結(jié)構(gòu)

圖4 天線實(shí)物圖

二、仿真及驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)方法，以上一節(jié)中相關(guān)公式的計(jì)算結(jié)果作為初值，用三維電磁仿真軟件ANSOFTHFSS建模對(duì)天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，表1為優(yōu)化后各參數(shù)的最終結(jié)果，依照優(yōu)化后的最終結(jié)果加工出天線實(shí)物，天線采用FR4為基板材料，其介電常數(shù)為4.0（f=5.8GHz），依據(jù)選定的板材厚度、介電常數(shù)等參數(shù)進(jìn)行最終優(yōu)化，得到的仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果由圖5～圖7可見(jiàn)。天線回波損耗試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，10dB阻抗帶寬優(yōu)于9%；圖6所示為方向圖結(jié)果，可得其天線3dB波束寬度（Phi=0度）為60度；圖7給出天線的軸比帶寬試驗(yàn)結(jié)果，由圖易知在工作頻點(diǎn)天線具有優(yōu)異的軸比特性。仿真結(jié)果與實(shí)際結(jié)果因加工及安裝過(guò)程中的不確定性產(chǎn)生了不可避免的誤差。

圖5 回波損耗對(duì)比

圖6 方向圖（f=5.8GHz，Phi=0o）

圖7 軸比帶寬特性（Phi=0o，Theta=0o）

三、總結(jié)

本文提出了一種可應(yīng)用于智能交通系統(tǒng)（ITS）的緊湊型圓極化陣列天線，天線的輻射單元使用了一種多縫性的方形貼片，為了獲得較高的阻抗特性，該單元饋電裝置的設(shè)計(jì)形式是采用先進(jìn)的縫隙耦合進(jìn)行饋電。對(duì)中心槽位置、槽寬度進(jìn)行調(diào)整可獲得特定的工作頻點(diǎn)。為驗(yàn)證文中所提出的圓極化天線的阻抗及輻射特性，在經(jīng)過(guò)計(jì)算得到各參數(shù)初值的基礎(chǔ)上，通過(guò)三維電磁仿真軟件對(duì)其進(jìn)行完善，最后采用測(cè)試實(shí)物的方式并與仿真結(jié)果進(jìn)行比較，比較結(jié)果證明了天線的阻抗帶寬為9%，圓極化帶寬為3%，增益為7.5dBi。該陣列天線具有剖面低、易調(diào)諧等優(yōu)點(diǎn)，適于ITS及其它同頻段的系統(tǒng)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] Lei Bian； Guo， Y.X.； Ong， L.C.； Shi， X.Q. Wideband circularly-polarized patch antenna. Microwave Conference Proceedings， 2005. APMC 2005. Asia-Pacific Conference Proceedings Volume： 2.

[2] Fasenfest， K.D.；Bishop， B.F. A wideband circularly-polarized patch antenna for array applications. Antennas and Propagation Society International Symposium （APSURSI）， 2013 IEEE ， Page（s）： 1470 - 1471.

[3] 哈林登著，王爾杰等譯.計(jì)算電磁場(chǎng)的矩量法[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1981.

[4] Zeb， B.A. ； Meincke， PAn air-supported wideband circularly polarized patch antenna. Microwave， Antenna， Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications， 2009 3rd IEEE International Symposium on，Page（s）： 427 - 429.