5.835 GHz 微帶陣列天線的設計

朱福冉 吳愛婷 張鵬泉 張忠海 官伯然

（杭州電子科技大學，杭州 310018）

引 言

目前無論國外和國內(nèi)，高速公路站處的交通問題都非常嚴重. 在高速公路處，電子不停車收費(electronic toll collection, ETC)系統(tǒng)是應用最廣泛的系統(tǒng)之一. 現(xiàn)在國外和國內(nèi)都在大力推行ETC 系統(tǒng)[1]，ETC 系統(tǒng)是未來的發(fā)展趨勢. 但ETC 系統(tǒng)在實際應用中還存在著跟車干擾、鄰道干擾等問題，因此設計一款ETC 系統(tǒng)中的路側(cè)單元(road side unit, RSU) 陣列天線，進一步降低ETC 系統(tǒng)中存在的跟車干擾及鄰道干擾問題是很有必要的. 目前，在提高陣列天線增益、軸比(axial ratio, AR)帶寬以及降低天線旁瓣方面已經(jīng)提出了很多方法：在提高天線增益方面，可通過采用新材料或多層介質(zhì)的方法以及使用改變饋電網(wǎng)絡的方法，如使用雙角串饋的結(jié)構饋電[2]；在提高天線AR 帶寬方面主要采用順序旋轉(zhuǎn)饋電的方式；在降低天線的旁瓣方面，一般是通過使陣元的分布更密集或改變激勵的幅度分度[3]，其中改變激勵幅度分布的方法一般有切比雪夫、泰勒綜合法和貝利斯綜合法. 文獻[4]通過采用圓極化陣列天線中常見的順序旋轉(zhuǎn)饋電來提高陣列天線的AR 帶寬. 文獻[5]通過采用伍德沃德-勞森綜合法獲得了主瓣平坦、在±34°內(nèi)具有超低副瓣的輻射方向圖特性. 文獻[6]通過仿真和實驗研究了不同基片厚度的單饋電截角圓極化微帶天線的性能，發(fā)現(xiàn)當使用較厚的襯底及使用U 槽或L 形探針來影響阻抗匹配時，AR 寬度可以大大提高. 文獻[7]設計了一種多層介質(zhì)疊加的微帶天線陣列，通過采用多層介質(zhì)來提高微帶陣列天線的增益. 文獻[8]設計了一款應用于ETC 系統(tǒng)RSU 的低旁瓣圓極化微帶陣列天線，在一定程度上實現(xiàn)了低旁瓣、圓極化. 文獻[9]主要針對傳統(tǒng)平面陣列天線圓極化AR 帶寬窄的缺點，提出采用連續(xù)旋轉(zhuǎn)饋電的方法來改善其AR 帶寬.

本文提出一款新型的微帶陣列天線，天線E 面具有非常窄的波束寬度、高增益、低旁瓣以及較寬的帶寬及AR 帶寬. 與文獻[8]和文獻[9]相比，文中提出的陣列天線E 面波束寬度得到顯著提升，文獻[8]中E 面波束寬度為1 6.5°，文獻[9]中E 面波束寬度為20° 左右，而提出的天線E 面的波束寬度僅為9°，天線的定向性得到了大大的提高.

1 天線設計指標

天線設計指標如表1 所示.

表1 天線設計指標Tab. 1 Antenna design index

2 天線基本單元設計

天線基本單元的設計采用方形切角的方式[10-12].圖1(a)為天線基本單元貼片圖，(b)為天線基本單元模型圖，(c)為天線表面電流分布圖.

圖1 天線基本單元Fig. 1 Diagram of antenna basic unit

該天線基本單元的貼片設計為在方形貼片的基礎上削去兩個面積相等的等邊直角三角形，從而實現(xiàn)圓極化[13]的功能.

矩形微帶天線尺寸為

圖2 a 取不同值時天線基本單元S11Fig. 2 S11 results of antenna basic unit with differernt a

圖3 天線基本單元增益和E 面波束寬度Fig. 3 E-plane beam width and antenna basic unit gain

圖4 天線基本單元AR 帶寬Fig. 4 AR bandwidth results of antenna basic unit

3 天線輻射單元設計

天線子陣的具體設計為基本單元依次順序旋轉(zhuǎn)90° ，4 個單元分別為0° 、 90° 、1 80° 、 270°，同時之后依次加 90°饋線進行相位的補償. 饋線的長度為8.8 m，約為 λg/4， λg為傳輸線上一個波長長度. 天線子陣的陣元間距為38.8 m，約為0.75λ0[9]， λ0為5.8 GHz 電磁波在自由空間的波長. 由于陣列天線陣元間距的不同會導致單元間互耦效應的不同，陣列天線設計時陣元間距一般取值為0.5 λ0. 圖5 為天線輻射單元的模型圖，輻射單元中有3 個一分二的等分功分器，用來保證4 個基本單元的等幅饋電.

圖5 天線輻射單元模型圖Fig. 5 Model diagram of antenna radiation unit

天線輻射單元帶寬的仿真結(jié)果如圖6 所示，為5.69～5.96 GHz；AR 帶寬的仿真結(jié)果如圖7 所示，為5.71～5.86 GHz；天線單元增益的仿真結(jié)果如圖8 所示，為11.41 dB；E 面3 dB 波束寬度及旁瓣圖的仿真結(jié)果如圖9 所示，3 dB 波束寬度約為 37.3°，旁瓣為-10.62 dB、-12.36 dB. 與天線基本單元相比，AR 帶寬有較大的提升，但離預期目標相差較遠.

圖6 天線輻射單元S11Fig. 6 S11 results of antenna radiation unit

圖7 天線輻射單元AR 帶寬Fig. 7 AR results of antenna radiation unit

圖8 天線輻射單元增益Fig. 8 Gain of antenna radiation unit

圖9 天線輻射單元E 面波束寬度及旁瓣Fig. 9 E-plane beam width and sidelobe of antenna radiation unit

4 饋電網(wǎng)絡及RSU 陣列天線的設計

陣列天線饋電網(wǎng)絡設計采用道爾夫-切比雪夫不等式[15]，道爾夫-切比雪夫分布方式可在指定第一零點波束寬度時，使旁瓣電平最低. 根據(jù)20 dB 的旁瓣抑制比要求，計算出水平方向饋電電流幅值比為1∶2.14∶2.14∶1. 1 分4 饋電網(wǎng)絡如圖10 所示，電流激勵由P1口進入，輸入口的特征阻抗為 50 Ω，通過T 型功分器向兩邊均勻饋電，故兩邊的特征阻抗為1 00 Ω.再分別通過1 分2 的串饋方式分配給各天線輻射單元，通過1/4 波長阻抗變化的方法控制饋電網(wǎng)絡電流的幅值比.

圖10 1 分4 饋電網(wǎng)絡Fig. 10 Feed network

天線饋電網(wǎng)絡為左右對稱，右側(cè)1/4 波長匹配線阻抗值同左側(cè)，端口P2、P3、P4、P5的輸出電流幅度比1∶2.14∶2.14∶1. 為了使各天線輻射單元保持饋電相位一致[8]，各天線輻射單元之間的間距設為0.6 λg.圖11 和12 所示分別為饋電網(wǎng)絡各端口相位和幅值的仿真數(shù)據(jù). 仿真數(shù)據(jù)表明在中心頻點處饋電網(wǎng)絡各端口相位基本一致，端口2、5 和端口3、4 的幅值比約為2.14. 為實現(xiàn)窄波束寬度及高增益的特性，將饋電網(wǎng)絡與4 個輻射單元進行組陣，并在整體仿真時對饋電網(wǎng)絡中的參數(shù)進行優(yōu)化，得到RSU 陣列天線. 天線尺寸為285 mm×75 mm，如圖13 所示.

圖11 各端口在5.67～5.88 GHz 的相位Fig. 11 The phase of each port at 5.67-5.88 GHz

圖12 各端口在5.67～5.88 GHz 的幅值Fig. 12 Amplitude of each port at 5.67-5.88 GHz

圖13 5.835 GHz 陣列天線圖Fig. 13 5.835 GHz array antenna diagram

5 仿真與實測結(jié)果

圖14 為微帶陣列天線實物圖. 通過網(wǎng)絡分析儀和微波暗室來對天線進行測試.

圖14 天線實物圖Fig. 14 Propotype of the antenna

圖15 為微波暗室實測圖. 在微波暗室測試時，以喇叭天線作為發(fā)射天線，該文中的微帶陣列天線為接收天線. 接收天線放于轉(zhuǎn)臺上，用電機控制轉(zhuǎn)臺進行 360°的旋轉(zhuǎn)，對增益、方向圖、AR、波束寬度等參數(shù)進行測量.

圖15 微波暗室實測圖Fig. 15 Measurement picture in microwave anechoic chamber

天線阻抗帶寬的仿真結(jié)果為5.64～5.89 GHz，實測結(jié)果為5.67～5.88 GHz，如圖16 所示；天線AR 帶寬的仿真結(jié)果為5.712～5.869 GHz，如圖17 所示；增益的仿真結(jié)果為17.63 dBi，如圖18 所示；天線方向圖的仿真和實測結(jié)果如圖19 所示，仿真E 面半功率波束寬度為1 0.42°，旁瓣為-15.97 dB 和-18.69 dB，實測E 面半功率波束寬度為9°，旁瓣為-16.5 dB 和-18 dB.

圖16 天線S11Fig. 16 S11 results of antenna

圖17 天線AR 帶寬Fig. 17 AR results of antenna

圖18 天線增益Fig. 18 Gain of antenna

圖19 天線E 面波束寬度及旁瓣Fig. 19 E-plane beam width and sidelobe of antenna

表2 所示為天線AR 帶寬、增益、3 dB 波束寬度參數(shù)的實測數(shù)據(jù). 可知，在5.7～5.9 GHz 頻段內(nèi)AR 小于3 dB，波束寬度都在10°左右，增益大于15 dB，與仿真數(shù)據(jù)基本一致. 而增益的實測數(shù)據(jù)與仿真相差較大一點，但也符合預期的設計指標. 造成數(shù)據(jù)偏差的可能原因如下：一為制造工藝的問題，二為測試過程中各種接頭的連接問題，但總體而言，此RSU 陣列天線的各項性能符合了預期的設計指標.

表2 陣列天線性能測試結(jié)果Tab. 2 Relevant test results of array antenna

與其他同類天線的對比結(jié)果如表3 所示，可以看出本文設計的天線具有更窄的波束寬度，定向性得到了大大提升.

表3 同類天線性能對比Tab. 3 Performance comparison of similar antennas

6 結(jié) 論

本文提出了一款用于ETC 系統(tǒng)的5.835 GHz 微帶陣列天線. 仿真和實測結(jié)果表明通過天線結(jié)構的設計，可降低天線的波束寬度，可實現(xiàn)高定向、低旁瓣、圓極化以及較寬的帶寬和AR 帶寬，從而可降低目前ETC 系統(tǒng)存在的鄰道干擾、跟車干擾等問題，對目前的RSU 天線開發(fā)具有重要的參考意義. 與前人工作相比，本文中的天線波束寬度更窄，定向性更好. 但此天線還存在著H 面波束寬度較寬和H 面旁瓣低的問題，預期的設想為天線在縱向上組陣.