一種用于專用短程通信的5.8 GHz微帶天線陣列

黃 崢，張勁松

（1.武漢郵電科學研究院湖北武漢430074；2.武漢長江通信智聯技術有限公司湖北武漢430074）

一種用于專用短程通信的5.8 GHz微帶天線陣列

黃 崢1，張勁松2

（1.武漢郵電科學研究院湖北武漢430074；2.武漢長江通信智聯技術有限公司湖北武漢430074）

本文針對目前在智能交通領域受到高度關注的短程通信技術（DSRC：Dedicated Short Range Communications），提出一種用于DSRC的16單元微帶天線陣列，其主要用于ETC、智能停車場等系統中的路側單元（RSU：Road Side Unit）；針對傳統平面陣列天線圓極化軸比帶寬窄的缺點，采用連續旋轉饋電技術的方法來改善其軸比帶寬，通過HFSS軟件對設計方案進行電磁仿真，得到預期的結果。最后對樣品測試發現其相對于傳統陣列，軸比帶寬提高了3倍以上。

專用短程通信；微帶天線；右手圓極化；路側單元；HFSS

隨著中國私家車保有量的不斷提高，道路擁堵、交通安全、泊車困難是目前交通管理的三大難題。近年來，世界范圍內的智能交通研發熱潮推動了交通行業的推陳革新，現代交通將逐漸向更加高效、安全、環保的方向發展[1-2]。移動互聯網技術的迅猛發展為交通技術的革新提供了機遇，智能交通已廣泛利用無線通信技術實現數據共享，形成了以智能車輛、智能道路、智能終端為主流的發展方向[3-5]。因此，為車車、車路建立一個低延遲、質量可靠、抗干擾能力強的無線通信環境就顯得十分必要。由于DSRC技術在延遲、移動性、通信距離方面有著無可替代的優勢，特別適用于車輛安全應用。目前全球范圍內的大多車路協同項目的研究，比如已經廣泛應用的ETC、智能停車場等系統中，均采用DSRC技術建立車輛網絡[6-10]，而天線是實現該項技術的關鍵元件，文中提出一種應用于DSRC系統的高定向圓極化微帶天線陣列，采取Ansoft HFSS軟件對所需天線進行仿真可以直觀地看到天線的參數，提高設計效率，進而更快更精準地得到符合目標需求的方案。

1 天線設計

微帶天線是一種低輪廓、低增益、窄頻帶的天線，能夠滿足裝載于飛機和各種車輛的空氣動力學要求。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，所以其本質上可以視作為一種特殊的縫隙天線[11-12]。

1.1 圓極化實現

目前微帶天線單元實現圓極化的方法本質上是使貼片兩端縫隙產生相差90°正交輻射波，主流方法有兩種:一種采用單饋電擾動法，使用切角、切縫等方式來差異兩個縫隙波的相位，如此可以使天線采用較為簡單的供電網絡就實現圓極化，但是阻抗帶寬和軸比帶寬相對較窄；正交饋電技術則通過電路設計來調整兩個饋電點的相位來使他們相差為90°以實現圓極化[13]。但是由于饋電電路本身也具有一定的輻射特性而導致天線交叉極化不對稱，因而較難實現真正的圓極化，而且往往會有較復雜的饋電網絡，難以與射頻模塊集成，體積龐大，成本高昂等缺點。本文采用同步子陣列的方式來實現，可以在滿足極化特性的條件下，使天線結構簡單，體積和成本都較小。

1.2 天線單元設計

文中的設計思路是先使用擾動法設計天線單元，如圖1所示。

圖1 天線單元

矩形微帶天線尺寸由下列公式所確定:

式中a為天線長度，b為寬度，f0為天線工作中心頻率，c為光速，εr為介質板的介電常數，εe為等效介電常數，由下式確定:

其中h為介質板厚度[14]。

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

圖2 天線單元的S11及軸比曲線

2 天線陣列的設計

2.1 依次旋轉饋電技術的理論分析

依次旋轉饋電技術可以高效地改善天線陣的軸比。下面從圓極化天線的理論出發，對比不同陣列類型對圓極化特性的差異。圖3給出了3種類型的二元天線陣。定義陣元都是左旋圓極化天線，通過理論計算來對比三種類型天線的電場區別。在圖3中，下排兩行依次為陣元軸比優秀和糟糕的電場原理圖[15-16]。選取總電場矢量與Y軸的夾角為δ。

圖3 圓極化天線工作原理

對于圖3中a類陣列，總電場的幅度和相位為:

對于圖3中的b類陣列，總電場的幅度和相位為:

對于圖3中的順序旋轉饋電的陣列形式c，總電場的幅度和相位為:

由以上計算我們發現，在陣元軸比優秀的情況下，3種類型陣列繼承了陣元的特性，保持著良好的圓極化特性，但是傳統的b類型陣的增益對比a和c低3 dB.結合上述分析，依次旋轉饋電技術的規律如下:1）通過旋轉的方式來使單元之間形成90°相差來改善陣列的圓極化特性，如果單元2相對于單元1的旋轉方向與極化方向相同，通過調整饋線長度，單元2輸入端的相位需要滯后單元1輸入端相應的相位角度，反之則需要超前相應的相位角度；2）在對陣元進行旋轉的同時必須根據旋轉方向與極化方向的關系來對陣元做相應的相位補償，否則不僅無法提高軸比，還會降低增益。

一般情況下，在使用依次旋轉饋電技術時，設計的天線的陣元與組成的陣列應當同時滿足右旋/左旋條件才能達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大于普通陣列。

2.2 饋電網絡設計

如圖4所示2x2圓極化天線子陣及其饋電網絡，采用依次旋轉技術，將4個單元依次旋轉90°，同時調整饋線長度，依次增加的饋線長度為λe/4（λe為5.8 GHz電磁波等效波長）作相位補償來保證相位一致，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），整個饋電網絡由3個一分二等功分功分器來構成，以保證4個陣元等幅饋電，并且通過λ/4阻抗匹配器來實現阻抗匹配。

圖4 四單元圓極化天線子陣

3 最終設計與實驗結果

基于上文2x2天線子陣的設計思路，將每個子陣視作一個簡單陣元，依舊采用依次旋轉技術來提高整個陣列的圓極化特性，最終組成一個16元的天線陣列，其實物加工樣品圖5所示。

用E5071C網絡分析儀對該天線陣的駐波曲線進行了測量，測量結果圖如圖6所示。在天線的工作頻帶5.79～5.84 GHz范圍內，其電壓駐波比均低于1.65，實際的駐波比低于2 dB帶寬大于1.5 GHz，滿足通信系統的需求。

圖5 圓極化天線陣列實物圖

在微波暗室對進行測試，在遠場條件下，對天線的增益、方向圖、軸比等參數進行了測量，得到的具體參數如下表1所示。天線在工作頻點的3 dB波束寬度為20°左右，表明了天線具有良好的方向性，軸比最大點為1.27 dB且增益均大于18 dB，表明了天線的圓極化特性相對于單元有了極大的改善，實驗結果符合了初始的設想。

表1 天線陣列相關測試結果

4 結束語

本文介紹了一種用于智能交通通信系統的高增益圓極化微帶天線陣的設計方法。從測試結果來看，在中心頻率5.80GHz，設計的16單元圓極化陣列有著良好的圓極化特性，并且實現了定向的高增益，較寬的軸比帶寬，相對低廉的成本，可以廣泛應用于DSRC技術當中，對于智能交通的發展應用有重大的意義。

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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：201611011

黃崢（1989—），男，湖北紅安人，碩士研究生。研究方向：微波與電磁場技術應用。