ETC用5.835GHz微帶陣列天線的設計

摘要：設計了一種ETC用低旁瓣圓極化微帶陣列天線，應用于電子收費（ETC）的路測單元（RSU）。為實現低旁瓣、圓極化的效果，對2個微帶天線單元運用旋轉與相位補償的方法進行軸比改進，并以改進后的2單元作為輻射單元制作了一款基于道爾夫切比雪夫幅度分布的微帶天線陣列。經過仿真與實際測量，該天線具有很好的低旁瓣、圓極化的效果。該天線對于ETC系統以及其他類似的天線系統具有很好的理論與實際意義。

關鍵詞：ETC； RSU； 圓極化； 低旁瓣； 微帶陣列天線

中圖分類號：TN91934文獻標識碼：A文章編號：1004373X(2012)04014804

5.835 GHz microstrip array antenna used in ETC

SHAO Yipneg， BAI Ming， MA Huijin， MIAO Jungang

(Beijing University of Aeronautics and Astronautics， Beijing 100191， China)

Abstract： A lowsidelobe circularlypolarized microstrip array antenna used in road side unit (RSU) for electronic toll collection (ETC) was designed. In order to achieve the effect of lowsidelobe circular polarization and low axial ratio， two microstrip antenna units was modified with the rotation and phase compensation methods to reduce axial ratio. The improved two units is taken as a radiative unit to make a microstrip antenna array， whose amplitude distribution is based on DolphChebyshev. The simulation and measured results indicate that the antenna has the effect of lowsidelobe and circular polarization. The antenna system has a good theoretical and practical significance for ETC and other similar antenna systems.

Keywords： ETC; RSU; circular polarization; lowsidelobe; microstrip array antenna

收稿日期：20110911

基金項目：國家自然科學基金資助項目（60771012）電子收費系統（Electronic Toll Collection，ETC）是國際上正在努力開發并推廣普及的一種用于高速公路等處的收費系統，它最大特點是不停車收費。ETC系統主要由2部分組成，一是車載單元(OBU)， 二是路側單元（RSU），RSU的主要部件是一個圓極化微帶天線，工作時，RSU天線在水平面內掃描車道。根據實際應用的需求，若水平面內RSU天線旁瓣電平太高，會產生鄰道干擾而發生重復收費的問題。為抑制此類情況的發生，有必要設計一款低旁瓣、圓極化微帶陣列天線。

傳統的圓極化天線主要采用單點饋電的方式，但是這種天線軸比帶寬較小。本文先設計了一款單點饋電微帶圓極化天線，通過對其軸比進行優化設計，以優化后的天線作為輻射單元組陣，對饋電網絡進行設計，最終實現微帶陣列天線的圓極化、低旁瓣效果。經過仿真與測試，天線完全滿足需求，并且該形式天線可用于類似無線通信、雷達監測等領域。

1圓極化天線單元設計與優化

1.1天線單元的設計

天線單元的設計采用方形倒角圓極化天線單元［12］，天線結構如圖1所示。

圖1單點饋電圓極化天線單元該天線在面積為s、介質板厚度為h、介電常數為εr的側饋方形微帶天線基礎上削去兩個面積相等、和為Δs的等邊直角三角形，使之形成圓極化功能，并通過1/4波長微帶傳輸線與50 Ω匹配。根據空腔模理論，采用單點側饋方式的矩形貼片天線可產生極化正交、幅度相等的2個簡并模（TM01，TM10），但2簡并模不能形成90°的相位差。為實現簡并模間90°相位差以輻射圓極化波，需要在方形微帶天線上附加一簡并模分離單元，使簡并正交模的2個諧振頻率產生分離，天線實際工作頻率f選在2諧振頻率之間。

天線單元邊長a由式(1)得出：a=c2fεe （1）式中：εe=12εr+1+(εr－1)(1+10ha)－1/2切去三角形面積可由式2得出：Δss=12Q（2）式中Q為微帶天線品質因數

天線模型采用板材為雙層覆銅、介電常數εr=2.65的聚四氟乙烯玻璃布，厚度為0.8 mm，其中銅層厚度為1 Oz（約35 μm厚）。經過仿真與優化設計，最終確定天線單元寬度為a=15.2 mm，切角為等邊直角三角形，其邊長為2.49 mm，1/4波長匹配線寬度為w=0.6 mm，長度為9.2 mm。對單元天線用電磁計算軟件Empire仿真，算出工作于5.835 GHz頻率時，輸入阻抗為54 Ω，單元天線遠場仿真方向圖、軸比仿真方向圖分別如圖2、3所示，其中曲線1代表xOz面方向圖，曲線2代表yOz面方向圖。

圖2天線單元遠場仿真方向圖圖3天線軸比仿真方向圖由仿真結果可見，天線增益為7.46 dB，遠場方向圖yOz面3 dB波束寬度為74.5°，xOz面3 dB波束寬度為80°。天線極化方式為右旋圓極化，軸比為3 dB。由仿真結果可見，天線軸比偏高，有待繼續優化。

1.2圓極化天線軸比優化設計

1.2.1軸比優化方案

經過以上分析，設計的單點饋電圓極化天線單元滿足右旋圓極化的效果，但該天線軸比較高，有待對其進行優化設計。

解決單元天線軸比偏高問題的一個辦法是通過對天線單元進行旋轉并對饋電相位進行相應補償［3］。該方法已經在國內外得到充分發展［45］，普遍采用2單元與4單元順序旋轉90°并加90°饋線做相位補償。為了后續天線組陣需要，本文采用2單元旋轉與相位補償的方式實現。2單元天線結構圖和1分2功分器分別如圖4（a），圖4（b）所示。

圖4經過旋轉與相位補償的2單元天線如圖4（a）所示， 天線單元1相對天線單元2逆時針旋轉90°，P1為激勵源。P1分配給單元1、2的電流應達到幅度大小相等，相位單元2相對于單元1延遲90°。為實現所需電流分布，依據T型功分器原理［6］，設計了1分2的功分器，如圖4（b）所示。電流由端口P1經過寬度為W1的傳輸線分給2段寬度均為W2、長度相同的1/4波長匹配線，并各自經過一段寬度為W1的相移線，分別到達端口P2和P3。其中W1=2.24 mm，W2=1.26 mm；P2、P3端口處傳輸線寬度為W1，其特性阻抗等于方形倒角圓極化天線單元輸入阻抗，這保證了輸出端口處無反射；相移線L1－L2=8.8 mm≈λg/4，λg為傳輸線上一個波長長度；相移線通過串接寬度W2的匹配段實現與寬度為W1的傳輸線匹配，避免了反射。對加上天線單元的1分2功分器輸入阻抗進行仿真，得到P1端口輸入阻抗為（61+j16）Ω，可見通過功分器連接的2單元天線輸入阻抗并不是一個實數，這不利于后期天線單元的組陣。

通過在Smith圓圖上的分析發現，在P1端口可并聯一段長度L3=0.031λg、寬度為W1的開路傳輸線，輸入阻抗變換為65 Ω的實數。對圖4（b）所示1分2功分器網絡傳輸參量進行仿真，得到端口P2與P3相對于P1的傳輸系數S21與S31，在5.835 GHz頻點，S21幅值0.69，相位120°，S31幅值0.71，相位212°。即端口P2與端口P3電流幅值比近似為1∶1，端口P2電流相位滯后于端口P1π/2。因此，1/2的功分器的設計與仿真結果達到了要求。

1.2.22單元天線仿真與分析

對圖4（a）所示2單元天線運用Empire仿真軟件進行仿真，并與1單元進行對比，作出軸比隨頻率變化圖對比圖和5.835 GHz頻點天線xOz面軸比隨角度變化對比圖如圖5（a）、（b）所示。

圖52單元軸比仿真圖由圖5（a）仿真結果可見，經過旋轉與相位補償后，2單元圓極化天線軸比在工作頻率范圍內降低，在5.84 GHz頻點處軸比最小，最小值為0.61 dB，在5.84 GHz頻點處軸比為0.65 dB，且3 dB軸比帶寬達到906 MHz。由圖5（b）仿真結果可見，經過旋轉與相位補償后，2單元圓極化天線軸比在xOz面掃描范圍內較低，在0°軸比達到了0.62 dB，軸比低于3 dB的角度范圍接近120°，低軸比角度范圍較寬。通過該方法可以使2單元圓極化陣列的軸比在較高的頻帶范圍與較大的角度范圍內保持很低的效果。經過對仿真結果的分析，2單元圓極化天線低軸比頻率范圍得到了擴展，在5.835 GHz頻點處xOz平面內低軸比的掃描角度范圍較大，適合作為輻射單元組陣以實現ETC收費的用途，并選擇xOz面作為RSU天線水平面。

2天線陣的設計與仿真

2.1饋電網絡的設計

微帶天線為了實現高增益、波束控制的特性，需要將多個輻射單元進行組陣并對饋電網絡進行相應設計。

在陣因子個數有限，天線饋電電流采用相位相同、幅度均勻分布的陣列形式情況下，其陣因子方向圖的第一副瓣電平在－15~-13 dB之間，為降低天線陣列的旁瓣電平，可對天線陣各單元饋電電流幅度采用道爾夫切比雪夫（DolphTchebyscheff）分布方式［7］。該方案對于指定的旁瓣電平，其第一零點波束寬度最窄；相反，對于指定的第一零點波束寬度，其旁瓣電平最低。為了控制天線尺寸，本微帶天線陣列采用水平方向6元陣的形式。設理論要求28 dB的旁瓣抑制比，計算出水平方向饋電電流幅值比為1∶2.14∶3.05∶3.05∶2.14∶1。運用功分器設計原理，設計出一款按照電流幅度比值1∶2.14∶3.05∶3.05∶2.14∶1，相位相同的1分6的饋電網絡。

圖61分6饋電網絡1分6饋電網絡如圖6所示，電流激勵由P1E端口進入，經過T型功分器分別向兩邊均勻饋電，再各自經過1分3的串饋方式分配給各天線單元。其中，各天線單元相距λg，即保證了各天線單元饋電相位相同；同時，通過1/4波長傳輸線阻抗變換的方法控制各單元間電流幅度的比值。對圖6傳輸網絡散射參量進行仿真，得到饋電網絡傳輸系數的仿真結果，對仿真結果進行分析，選擇端口P2的輸出電流作為參考，發現在5.835 GHz頻點，端口P2，P3，P4，P5，P6，P7的輸出電流幅度比值近似為1∶2.12∶3.06∶3.06∶2.12∶1，電流相位分別為0°，6°，8°，8°，9°，-1°。可見各天線單元電流幅度比值滿足理論設計為28 dB的道爾夫切比雪夫電流分布，電流相位近似相等，滿足設計需要。

2.2仿真與測試結果

根據前面的分析，通過1分2的功分器對2單元圓極化天線組合可以有效優化天線的軸比，提高3 dB軸比帶寬，降低水平面角度范圍內軸比；通過1分6功分器可以將饋電端口電流按照道爾夫切比雪夫電流分布進行分配，且各輸出端口電流相位在中心頻點處近似相等。因此，將1分6微帶饋電網絡與2單元天線陣列組裝成微帶陣列天線，并進行加工，加工工藝采用電化學腐蝕技術，加工精度為±0.02 mm。天線實物圖如圖7所示。將微帶陣列天線在暗室緊縮場條件中進行測試。以微帶陣列天線作為接收天線，安置于轉臺上；以緊縮場饋源作為發射天線，通過步進電機控制轉臺旋轉，通過矢量網絡分析儀來進行測試。測試了5.835 GHz頻點水平面遠場方向圖、水平面軸比方向圖、軸比隨頻率變化圖，測試結果如圖8所示。

圖7天線實物圖由測試結果知，微帶陣列天線增益為15.5 dB，工作于5.835 GHz頻點時，水平面天線3 dB波束寬度為16.5°，旁瓣抑制比為25.3 dB；天線極化方式為右旋圓極化，軸比最小時工作于5.83 GHz，此時軸比為0.626 6 dB；在5.835 GHz頻點軸比為0.65 dB，軸比小于3 dB的軸比帶寬為240 MHz（5.79~6.03 GHz），水平面天線軸比低于3 dB波束寬度為41°（-18.5°~23.5°）。 由測試結果可見，天線的軸比較低，低軸比帶寬較寬，水平面低軸比角度范圍較大，水平面遠場方向圖旁瓣電平低，天線增益高，各項性能參數滿足設計需求。

圖8實際天線測試結果3結語

本文介紹了一種ETC用5.835 GHz的微帶陣列天線的設計方法。從測試結果來看，設計的微帶陣列天線的低軸比帶寬較寬，在中心頻率5.835 GHz，天線增益高，遠場方向圖旁瓣電平低，水平面低軸比角度范圍較大，解決了傳統ETC天線遠場方向圖旁瓣電平較高、圓極化性能一般、饋電網絡復雜的問題，對類似圓極化、低旁瓣微帶天線系統的開發與應用具有重要的參考意義。

參考文獻

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