一種用于專(zhuān)用短程通信的5.8 GHz微帶天線(xiàn)陣列

黃 崢，張勁松

（1.武漢郵電科學(xué)研究院湖北武漢430074；2.武漢長(zhǎng)江通信智聯(lián)技術(shù)有限公司湖北武漢430074）

一種用于專(zhuān)用短程通信的5.8 GHz微帶天線(xiàn)陣列

黃 崢1，張勁松2

（1.武漢郵電科學(xué)研究院湖北武漢430074；2.武漢長(zhǎng)江通信智聯(lián)技術(shù)有限公司湖北武漢430074）

本文針對(duì)目前在智能交通領(lǐng)域受到高度關(guān)注的短程通信技術(shù)（DSRC：Dedicated Short Range Communications），提出一種用于DSRC的16單元微帶天線(xiàn)陣列，其主要用于ETC、智能停車(chē)場(chǎng)等系統(tǒng)中的路側(cè)單元（RSU：Road Side Unit）；針對(duì)傳統(tǒng)平面陣列天線(xiàn)圓極化軸比帶寬窄的缺點(diǎn)，采用連續(xù)旋轉(zhuǎn)饋電技術(shù)的方法來(lái)改善其軸比帶寬，通過(guò)HFSS軟件對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行電磁仿真，得到預(yù)期的結(jié)果。最后對(duì)樣品測(cè)試發(fā)現(xiàn)其相對(duì)于傳統(tǒng)陣列，軸比帶寬提高了3倍以上。

專(zhuān)用短程通信；微帶天線(xiàn)；右手圓極化；路側(cè)單元；HFSS

隨著中國(guó)私家車(chē)保有量的不斷提高，道路擁堵、交通安全、泊車(chē)?yán)щy是目前交通管理的三大難題。近年來(lái)，世界范圍內(nèi)的智能交通研發(fā)熱潮推動(dòng)了交通行業(yè)的推陳革新，現(xiàn)代交通將逐漸向更加高效、安全、環(huán)保的方向發(fā)展[1-2]。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展為交通技術(shù)的革新提供了機(jī)遇，智能交通已廣泛利用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，形成了以智能車(chē)輛、智能道路、智能終端為主流的發(fā)展方向[3-5]。因此，為車(chē)車(chē)、車(chē)路建立一個(gè)低延遲、質(zhì)量可靠、抗干擾能力強(qiáng)的無(wú)線(xiàn)通信環(huán)境就顯得十分必要。由于DSRC技術(shù)在延遲、移動(dòng)性、通信距離方面有著無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)，特別適用于車(chē)輛安全應(yīng)用。目前全球范圍內(nèi)的大多車(chē)路協(xié)同項(xiàng)目的研究，比如已經(jīng)廣泛應(yīng)用的ETC、智能停車(chē)場(chǎng)等系統(tǒng)中，均采用DSRC技術(shù)建立車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)[6-10]，而天線(xiàn)是實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵元件，文中提出一種應(yīng)用于DSRC系統(tǒng)的高定向圓極化微帶天線(xiàn)陣列，采取Ansoft HFSS軟件對(duì)所需天線(xiàn)進(jìn)行仿真可以直觀地看到天線(xiàn)的參數(shù)，提高設(shè)計(jì)效率，進(jìn)而更快更精準(zhǔn)地得到符合目標(biāo)需求的方案。

1 天線(xiàn)設(shè)計(jì)

微帶天線(xiàn)是一種低輪廓、低增益、窄頻帶的天線(xiàn)，能夠滿(mǎn)足裝載于飛機(jī)和各種車(chē)輛的空氣動(dòng)力學(xué)要求。它的輻射可視作貼片與接地板之間左右兩條窄縫隙的輻射，所以其本質(zhì)上可以視作為一種特殊的縫隙天線(xiàn)[11-12]。

1.1 圓極化實(shí)現(xiàn)

目前微帶天線(xiàn)單元實(shí)現(xiàn)圓極化的方法本質(zhì)上是使貼片兩端縫隙產(chǎn)生相差90°正交輻射波，主流方法有兩種:一種采用單饋電擾動(dòng)法，使用切角、切縫等方式來(lái)差異兩個(gè)縫隙波的相位，如此可以使天線(xiàn)采用較為簡(jiǎn)單的供電網(wǎng)絡(luò)就實(shí)現(xiàn)圓極化，但是阻抗帶寬和軸比帶寬相對(duì)較窄；正交饋電技術(shù)則通過(guò)電路設(shè)計(jì)來(lái)調(diào)整兩個(gè)饋電點(diǎn)的相位來(lái)使他們相差為90°以實(shí)現(xiàn)圓極化[13]。但是由于饋電電路本身也具有一定的輻射特性而導(dǎo)致天線(xiàn)交叉極化不對(duì)稱(chēng)，因而較難實(shí)現(xiàn)真正的圓極化，而且往往會(huì)有較復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)，難以與射頻模塊集成，體積龐大，成本高昂等缺點(diǎn)。本文采用同步子陣列的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，可以在滿(mǎn)足極化特性的條件下，使天線(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積和成本都較小。

1.2 天線(xiàn)單元設(shè)計(jì)

文中的設(shè)計(jì)思路是先使用擾動(dòng)法設(shè)計(jì)天線(xiàn)單元，如圖1所示。

圖1 天線(xiàn)單元

矩形微帶天線(xiàn)尺寸由下列公式所確定:

式中a為天線(xiàn)長(zhǎng)度，b為寬度，f0為天線(xiàn)工作中心頻率，c為光速，εr為介質(zhì)板的介電常數(shù)，εe為等效介電常數(shù)，由下式確定:

其中h為介質(zhì)板厚度[14]。

介質(zhì)板厚度h=0.8 mm，介電常數(shù)ε=2.65，正切損耗角 tanδ=0.003，a=15.3 mm，c=1.3mm，天線(xiàn)單元仿真結(jié)果如圖2所示，圖中5.8 GHz處S11=-40.13 dB，AX（Axial Ratio）=5.77 dB＞2 dB，下一步將通過(guò)順序旋轉(zhuǎn)的方法來(lái)改善天線(xiàn)軸比。

圖2 天線(xiàn)單元的S11及軸比曲線(xiàn)

2 天線(xiàn)陣列的設(shè)計(jì)

2.1 依次旋轉(zhuǎn)饋電技術(shù)的理論分析

依次旋轉(zhuǎn)饋電技術(shù)可以高效地改善天線(xiàn)陣的軸比。下面從圓極化天線(xiàn)的理論出發(fā)，對(duì)比不同陣列類(lèi)型對(duì)圓極化特性的差異。圖3給出了3種類(lèi)型的二元天線(xiàn)陣。定義陣元都是左旋圓極化天線(xiàn)，通過(guò)理論計(jì)算來(lái)對(duì)比三種類(lèi)型天線(xiàn)的電場(chǎng)區(qū)別。在圖3中，下排兩行依次為陣元軸比優(yōu)秀和糟糕的電場(chǎng)原理圖[15-16]。選取總電場(chǎng)矢量與Y軸的夾角為δ。

圖3 圓極化天線(xiàn)工作原理

對(duì)于圖3中a類(lèi)陣列，總電場(chǎng)的幅度和相位為:

對(duì)于圖3中的b類(lèi)陣列，總電場(chǎng)的幅度和相位為:

對(duì)于圖3中的順序旋轉(zhuǎn)饋電的陣列形式c，總電場(chǎng)的幅度和相位為:

由以上計(jì)算我們發(fā)現(xiàn)，在陣元軸比優(yōu)秀的情況下，3種類(lèi)型陣列繼承了陣元的特性，保持著良好的圓極化特性，但是傳統(tǒng)的b類(lèi)型陣的增益對(duì)比a和c低3 dB.結(jié)合上述分析，依次旋轉(zhuǎn)饋電技術(shù)的規(guī)律如下:1）通過(guò)旋轉(zhuǎn)的方式來(lái)使單元之間形成90°相差來(lái)改善陣列的圓極化特性，如果單元2相對(duì)于單元1的旋轉(zhuǎn)方向與極化方向相同，通過(guò)調(diào)整饋線(xiàn)長(zhǎng)度，單元2輸入端的相位需要滯后單元1輸入端相應(yīng)的相位角度，反之則需要超前相應(yīng)的相位角度；2）在對(duì)陣元進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的同時(shí)必須根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向與極化方向的關(guān)系來(lái)對(duì)陣元做相應(yīng)的相位補(bǔ)償，否則不僅無(wú)法提高軸比，還會(huì)降低增益。

一般情況下，在使用依次旋轉(zhuǎn)饋電技術(shù)時(shí)，設(shè)計(jì)的天線(xiàn)的陣元與組成的陣列應(yīng)當(dāng)同時(shí)滿(mǎn)足右旋/左旋條件才能達(dá)到改善軸比特性的目的，而且工作作用下，其陣列的軸比帶寬也遠(yuǎn)大于普通陣列。

2.2 饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

如圖4所示2x2圓極化天線(xiàn)子陣及其饋電網(wǎng)絡(luò)，采用依次旋轉(zhuǎn)技術(shù)，將4個(gè)單元依次旋轉(zhuǎn)90°，同時(shí)調(diào)整饋線(xiàn)長(zhǎng)度，依次增加的饋線(xiàn)長(zhǎng)度為λe/4（λe為5.8 GHz電磁波等效波長(zhǎng)）作相位補(bǔ)償來(lái)保證相位一致，陣元間距取 38.8 mm（約為 0.75λ0，λ0為 5.8 GHz電磁波在自由空間的波長(zhǎng)），整個(gè)饋電網(wǎng)絡(luò)由3個(gè)一分二等功分功分器來(lái)構(gòu)成，以保證4個(gè)陣元等幅饋電，并且通過(guò)λ/4阻抗匹配器來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

圖4 四單元圓極化天線(xiàn)子陣

3 最終設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于上文2x2天線(xiàn)子陣的設(shè)計(jì)思路，將每個(gè)子陣視作一個(gè)簡(jiǎn)單陣元，依舊采用依次旋轉(zhuǎn)技術(shù)來(lái)提高整個(gè)陣列的圓極化特性，最終組成一個(gè)16元的天線(xiàn)陣列，其實(shí)物加工樣品圖5所示。

用E5071C網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)該天線(xiàn)陣的駐波曲線(xiàn)進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果圖如圖6所示。在天線(xiàn)的工作頻帶5.79～5.84 GHz范圍內(nèi)，其電壓駐波比均低于1.65，實(shí)際的駐波比低于2 dB帶寬大于1.5 GHz，滿(mǎn)足通信系統(tǒng)的需求。

圖5 圓極化天線(xiàn)陣列實(shí)物圖

在微波暗室對(duì)進(jìn)行測(cè)試，在遠(yuǎn)場(chǎng)條件下，對(duì)天線(xiàn)的增益、方向圖、軸比等參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，得到的具體參數(shù)如下表1所示。天線(xiàn)在工作頻點(diǎn)的3 dB波束寬度為20°左右，表明了天線(xiàn)具有良好的方向性，軸比最大點(diǎn)為1.27 dB且增益均大于18 dB，表明了天線(xiàn)的圓極化特性相對(duì)于單元有了極大的改善，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合了初始的設(shè)想。

表1 天線(xiàn)陣列相關(guān)測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種用于智能交通通信系統(tǒng)的高增益圓極化微帶天線(xiàn)陣的設(shè)計(jì)方法。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，在中心頻率5.80GHz，設(shè)計(jì)的16單元圓極化陣列有著良好的圓極化特性，并且實(shí)現(xiàn)了定向的高增益，較寬的軸比帶寬，相對(duì)低廉的成本，可以廣泛應(yīng)用于DSRC技術(shù)當(dāng)中，對(duì)于智能交通的發(fā)展應(yīng)用有重大的意義。

[1]Bhoi S K，Khilar P M.Vehicular communi-cation:a survey[J].IET Networks.2014，3（3）:204-217.

[2]陳前斌，柴容，岑明.車(chē)聯(lián)網(wǎng)何去何從[J].中興通信技術(shù)，2015，21（1）:47-51.

[3]劉江，蔡伯根，王云鵬.基于DSRC融合的協(xié)同車(chē)輛定位方法[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)，2014，14（4）：117-118.

[4]汪振興，王維莉.車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一些新進(jìn)展[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014（6）:76-77.

[5]李希金，王志軍.電信運(yùn)營(yíng)商車(chē)聯(lián)網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略思考[J].現(xiàn)代電信科技，2014，44（3）:29-33.

[6]彭登，徐建閩，林培群.城市車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)的通信及定位技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2011，32（3）:859-862.

[7]何宗鍵，曹建農(nóng)，鄭俊浩.車(chē)聯(lián)社交網(wǎng)絡(luò)：機(jī)遇、挑戰(zhàn)和應(yīng)用[J].中興通訊技術(shù)，2014，20（1）:31-34.

[8]馬鈞，李喻.中國(guó)車(chē)聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及商業(yè)模式研究[J].汽車(chē)工業(yè)研究，2014，19（9）：24-28.

[9]李廣宇，郭愛(ài)煌.車(chē)載通信系統(tǒng)天線(xiàn)電磁特性的研究[J].電子測(cè)量技術(shù)，2010，33（7）：34-35.

[10]田大新.專(zhuān)用短程通信技術(shù)[J].中興通信技術(shù)，2015，21（6）：27-30.

[11]Antennas:For All Application[M].John D.Kraus，Rolnald J.Marhefka，McGraw-HillEducation Singapore，2008.

[12]Conformal Array Antenna Theory and Design[M].Lars Josefsson，Patrik Persson，Wiley-IEEE Press，May 2012.

[13]鐘順時(shí).微帶天線(xiàn)理論與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，1990.

[14]李明洋.HFSS天線(xiàn)設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[15]張厚，鄭宏興，王劍.一種改進(jìn)的共面波導(dǎo)圓極化天線(xiàn)陣[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，37（1）：148-152.

[16]方大綱.天線(xiàn)理論與微帶天線(xiàn)[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

A 5.8GHz microstrip antenna array for dedicated short range communication

HUANG Zheng1，ZHANG Jin-song2
（1.Wuhan Research Institute of Post&Telecommunications，Wuhan430074，China；2.Wuhan YCIG iLink Technology Co.，Ltd，Wuhan430074，China）

In this paper，a 16-element microstrip antenna array for DSRC is proposed for DSRC（Dedicated Short Range Communications）.It is mainly used in ETC，intelligent parking lot and other systems.（RSU:Road Side Unit）.In order to improve the axial bandwidth of the conventional planar array antenna，the circular polarization axis is narrower than that of the conventional planar array antenna.The design scheme is simulated by HFSS software，To obtain the desired results.The results show that the axial bandwidth is more than 3 times higher than that of the conventional array.

DSRC；microstrip antenna；right hand circular polarization；road side unit；HFSS

TN15

A

1674-6236（2017）23-0101-04

2016-11-02稿件編號(hào)：201611011

黃崢（1989—），男，湖北紅安人，碩士研究生。研究方向：微波與電磁場(chǎng)技術(shù)應(yīng)用。