ETC系統(tǒng)中微帶陣列天線的設(shè)計

周婷 李民權(quán) 李超

摘要：該文利用天線研究的數(shù)值方法以及微帶天線理論，分析研究了微帶天線的輻射機理。利用高頻結(jié)構(gòu)仿真器HFSS軟件對微帶天線進(jìn)行仿真，設(shè)計出一款ETC系統(tǒng)車載單元的微帶陣列天線。測試結(jié)果表明該微帶天線具有高增益低副瓣的優(yōu)勢，能夠滿足不停車收費系統(tǒng)（ETC）對天線的技術(shù)指標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞：微帶陣列天線；圓極化技術(shù)；高增益；低副瓣

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）03-0269-03

ETC是目前最先進(jìn)的路橋收費方式，其實現(xiàn)了車輛通過收費站時無需停車就完成繳費。ETC可以提高3～5的道路通過能力，可以大大緩解通過阻塞，尤其能夠改善收費站附近的交通狀況，同時也能達(dá)到節(jié)能減排的目的。在ETC系統(tǒng)中，微波讀寫天線（Road-Side Units，RSU）對系統(tǒng)的有效性起到了關(guān)鍵作用。微波天線使用5.8GHZ微波無線DSRC協(xié)議與OBU（車載端）以及IC卡進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實時采集和更新標(biāo)簽和IC卡的信息，通過串行口實現(xiàn)計算機網(wǎng)絡(luò)通信。因此，研究設(shè)計出應(yīng)用于ETC系統(tǒng)中的高增益，低副瓣的圓極化微帶陣列天線具有很高的應(yīng)用前景。

1 微帶天線陣元的設(shè)計

設(shè)計微帶陣列天線之前，需要先對微帶天線貼片單元進(jìn)行設(shè)計計算。本文選擇切角形式設(shè)計微帶天線的貼片單元，從而使微帶天線具有圓極化特性。

1.1貼片單元參數(shù)計算

圓極化天線的貼片單元采用同軸饋電方式，饋線的寬度[fd=0.3mm]，其長度為9mm，貼片單元的地板尺寸為[60mm×60mm]，天線貼片單元的介質(zhì)材料為Taconic TLC，介質(zhì)板的厚度設(shè)定為1.5mm，其介電常數(shù)為2.45。貼片單元的損耗角的正切值取0.003。貼片單元的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 貼片單元的結(jié)構(gòu)

1.2貼片單元性能仿真

經(jīng)過設(shè)計計算并使用電磁場仿真軟件Ansoft 12.0 對貼片單元模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，得到了天線輻射貼片的尺寸如下：

通過對貼片單元的物理參數(shù)進(jìn)行仿真，確定參數(shù)。設(shè)計圓極化天線的中心頻率為5.8GHz，天線的貼片單元的圓極化中心頻率設(shè)定為6.1GHz左右。這是因為天線各個貼片單元之間會存在耦合作用，會使天線的圓極化中心頻率低于貼片單元自身的圓極化中心頻率。因此在設(shè)計貼片單元時，貼片單元的中心頻率設(shè)計值會略高于天線的圓極化中心頻率。文中，貼片單元的圓極化中心頻率設(shè)定在6.1GHz。

貼片單元的反射系數(shù)小于-12.0dB，在中心頻率上的軸比AR<2dB，阻抗帶寬超過220MHz。

貼片單元的圓極化中心頻率是6.10GHz。中心頻率的反射系數(shù)為-12.6dB，滿足設(shè)計要求。

在貼片單元的中心頻率處的軸比AR=1.6<2dB，滿足設(shè)計要求。

2 微帶陣列天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)實際工程應(yīng)用需求提出相關(guān)指標(biāo)，利用天線設(shè)計相關(guān)理論設(shè)計出整個天線陣列模型。用Ansoft HFSS對天線模型進(jìn)行電磁學(xué)仿真。圓極化微帶天線的具體設(shè)計指標(biāo)見表2。

根據(jù)天線的使用環(huán)境，天線的介質(zhì)板應(yīng)選擇矩形平板。矩形板的長度不應(yīng)超過22cm，寬度不應(yīng)超過10cm。饋線則采用同軸化方式。

2.1饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

運用道爾夫-切比雪夫陣列方法設(shè)計低副瓣圓極化微帶天線陣，需要使用Matlab程序計算出微帶天線陣的方向圖。由于該天線陣是并饋形式且中心饋電，所以陣列間距取在0.6λg～0.8λg之間。當(dāng)副瓣電平R=30時，電流幅度關(guān)于中心對稱。若中心A0的電流幅度為1，利用Matlab軟件進(jìn)行仿真計算得出1/2天線陣的電流幅度依次為{1.00，0.81，0.52，0.26}。應(yīng)用切比雪夫理論得出的理想方向圖如圖2所示。微帶天線的饋電網(wǎng)絡(luò)端口輸入阻抗設(shè)定為50ohm，利用電磁仿真軟件優(yōu)化饋電網(wǎng)絡(luò)中的線長和線寬，其設(shè)計模型如圖3所示。

圖2 微帶天線陣列的理想方向圖

圖3 微帶天線陣列饋電網(wǎng)路模型

2.2陣列結(jié)構(gòu)的設(shè)計和仿真

天線使用上述形式的饋電網(wǎng)絡(luò)以及同軸背饋的饋電方式。在此基礎(chǔ)上優(yōu)化了天線陣列的相關(guān)尺寸，得到微帶天線陣的仿真模型，其圓極化帶寬達(dá)到了200MHz，天線陣的仿真模型如圖4所示。

圖4 微帶天線陣模型圖

利用HFSS對天線陣列進(jìn)行仿真設(shè)計。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，得到一系列的仿真圖。天線陣3D仿真方向圖圖5所示。

圖5 天線陣的3D方向圖

從圖5可知，天線的3D方向圖表現(xiàn)了天線的輻射在空間上還是比較對稱的。

3 微帶天線陣列的測試結(jié)果

微帶天線陣列的單元數(shù)為16，其中在水平方向有8個單元，垂直方向上有2個單元。圓極化微帶天線的實物照片如圖6所示。

圖6 圓極化微帶天線的實物照片

通過對該圓極化微帶天線進(jìn)行測試，天線在圓極化中心頻率5.85GHz上的駐波比AR=1.08<2，符合設(shè)計要求。而且測試圖顯示該天線的帶寬大于200MHz，足夠滿足ETC系統(tǒng)對圓極化微帶天線的技術(shù)要求。天線的駐波比測試圖如圖7所示。

圖7 天線陣的駐波比測試結(jié)果

對天線陣列進(jìn)行遠(yuǎn)場測試，對天線陣列的方向圖進(jìn)行實測。在測試過程中，分成四種測試情況。分別是①垂直場，安裝90°；②垂直場，安裝水平；③水平場，安裝90°；④水平場，安裝水平。

第一種情況下的方向圖的測試結(jié)果如圖8所示。天線陣在中心頻率上的3分貝寬度為35.4°，前后比為-26.7dB，最大增益達(dá)到16dB。

圖8 天線陣的測試方向圖（垂直場，安裝90°）

第二種情況下的方向圖的測試結(jié)果如圖9所示。天線陣在中心頻率上的3分貝寬度為15.5°，前后比為-23.4dB，最大增益達(dá)到19dB。

圖9 天線陣的測試方向圖（垂直場，安裝水平）

第三種情況下的方向圖的測試結(jié)果如圖10所示。天線陣在中心頻率上的3分貝寬度為15.4°，前后比為-23.2dB，最大增益達(dá)到16dB。

圖10 天線陣的測試方向圖（水平場，安裝90°）

第四種情況下的方向圖的測試結(jié)果如圖11所示。天線陣在中心頻率上的3分貝寬度為15.2°，前后比為-29.6dB，最大增益達(dá)到18dB。

圖11 天線陣的測試方向圖（水平場，安裝水平）

水平場，安裝水平的情況是天線應(yīng)用的工況，在該情況下，天線的測試性能完全滿足ETC系統(tǒng)對圓極化微帶天線的技術(shù)要求。

4 結(jié)論

本文利用天線研究的數(shù)值方法以及微帶天線理論分別對圓極化微帶貼片單元以及天線陣列進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。該天線陣為2×8型，陣元的結(jié)構(gòu)為等間距直線分布。陣元饋電電流的分布則是根據(jù)道爾夫-切比雪夫最優(yōu)分布理論設(shè)計，采用平行饋電的形式。經(jīng)過測試表明該天線陣具有低副瓣高增益的優(yōu)點，應(yīng)用在ETC系統(tǒng)中可以有效解決ETC系統(tǒng)中領(lǐng)道干擾，跟車干擾等問題，具有一定的應(yīng)用研究價值。

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