ETC系统中微带阵列天线的设计

周婷 李民权 李超

摘要：该文利用天线研究的数值方法以及微带天线理论，分析研究了微带天线的辐射机理。利用高频结构仿真器HFSS软件对微带天线进行仿真，设计出一款ETC系统车载单元的微带阵列天线。测试结果表明该微带天线具有高增益低副瓣的优势，能够满足不停车收费系统（ETC）对天线的技术指标要求。

关键词：微带阵列天线；圆极化技术；高增益；低副瓣

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）03-0269-03

ETC是目前最先进的路桥收费方式，其实现了车辆通过收费站时无需停车就完成缴费。ETC可以提高3～5的道路通过能力，可以大大缓解通过阻塞，尤其能够改善收费站附近的交通状况，同时也能达到节能减排的目的。在ETC系统中，微波读写天线（Road-Side Units，RSU）对系统的有效性起到了关键作用。微波天线使用5.8GHZ微波无线DSRC协议与OBU（车载端）以及IC卡进行数据交换，实时采集和更新标签和IC卡的信息，通过串行口实现计算机网络通信。因此，研究设计出应用于ETC系统中的高增益，低副瓣的圆极化微带阵列天线具有很高的应用前景。

1 微带天线阵元的设计

设计微带阵列天线之前，需要先对微带天线贴片单元进行设计计算。本文选择切角形式设计微带天线的贴片单元，从而使微带天线具有圆极化特性。

1.1贴片单元参数计算

圆极化天线的贴片单元采用同轴馈电方式，馈线的宽度[fd=0.3mm]，其长度为9mm，贴片单元的地板尺寸为[60mm×60mm]，天线贴片单元的介质材料为Taconic TLC，介质板的厚度设定为1.5mm，其介电常数为2.45。贴片单元的损耗角的正切值取0.003。贴片单元的结构图如图1所示。

图1 贴片单元的结构

1.2贴片单元性能仿真

经过设计计算并使用电磁场仿真软件Ansoft 12.0 对贴片单元模型进行优化设计，得到了天线辐射贴片的尺寸如下：

通过对贴片单元的物理参数进行仿真，确定参数。设计圆极化天线的中心频率为5.8GHz，天线的贴片单元的圆极化中心频率设定为6.1GHz左右。这是因为天线各个贴片单元之间会存在耦合作用，会使天线的圆极化中心频率低于贴片单元自身的圆极化中心频率。因此在设计贴片单元时，贴片单元的中心频率设计值会略高于天线的圆极化中心频率。文中，贴片单元的圆极化中心频率设定在6.1GHz。

贴片单元的反射系数小于-12.0dB，在中心频率上的轴比AR<2dB，阻抗带宽超过220MHz。

贴片单元的圆极化中心频率是6.10GHz。中心频率的反射系数为-12.6dB，满足设计要求。

在贴片单元的中心频率处的轴比AR=1.6<2dB，满足设计要求。

2 微带阵列天线的结构设计

根据实际工程应用需求提出相关指标，利用天线设计相关理论设计出整个天线阵列模型。用Ansoft HFSS对天线模型进行电磁学仿真。圆极化微带天线的具体设计指标见表2。

根据天线的使用环境，天线的介质板应选择矩形平板。矩形板的长度不应超过22cm，宽度不应超过10cm。馈线则采用同轴化方式。

2.1馈电网络的设计

运用道尔夫-切比雪夫阵列方法设计低副瓣圆极化微带天线阵，需要使用Matlab程序计算出微带天线阵的方向图。由于该天线阵是并馈形式且中心馈电，所以阵列间距取在0.6λg～0.8λg之间。当副瓣电平R=30时，电流幅度关于中心对称。若中心A0的电流幅度为1，利用Matlab软件进行仿真计算得出1/2天线阵的电流幅度依次为{1.00，0.81，0.52，0.26}。应用切比雪夫理论得出的理想方向图如图2所示。微带天线的馈电网络端口输入阻抗设定为50ohm，利用电磁仿真软件优化馈电网络中的线长和线宽，其设计模型如图3所示。

图2 微带天线阵列的理想方向图

图3 微带天线阵列馈电网路模型

2.2阵列结构的设计和仿真

天线使用上述形式的馈电网络以及同轴背馈的馈电方式。在此基础上优化了天线阵列的相关尺寸，得到微带天线阵的仿真模型，其圆极化带宽达到了200MHz，天线阵的仿真模型如图4所示。

图4 微带天线阵模型图

利用HFSS对天线阵列进行仿真设计。经过优化设计，得到一系列的仿真图。天线阵3D仿真方向图图5所示。

图5 天线阵的3D方向图

从图5可知，天线的3D方向图表现了天线的辐射在空间上还是比较对称的。

3 微带天线阵列的测试结果

微带天线阵列的单元数为16，其中在水平方向有8个单元，垂直方向上有2个单元。圆极化微带天线的实物照片如图6所示。

图6 圆极化微带天线的实物照片

通过对该圆极化微带天线进行测试，天线在圆极化中心频率5.85GHz上的驻波比AR=1.08<2，符合设计要求。而且测试图显示该天线的带宽大于200MHz，足够满足ETC系统对圆极化微带天线的技术要求。天线的驻波比测试图如图7所示。

图7 天线阵的驻波比测试结果

对天线阵列进行远场测试，对天线阵列的方向图进行实测。在测试过程中，分成四种测试情况。分别是①垂直场，安装90°；②垂直场，安装水平；③水平场，安装90°；④水平场，安装水平。

第一种情况下的方向图的测试结果如图8所示。天线阵在中心频率上的3分贝宽度为35.4°，前后比为-26.7dB，最大增益达到16dB。

图8 天线阵的测试方向图（垂直场，安装90°）

第二种情况下的方向图的测试结果如图9所示。天线阵在中心频率上的3分贝宽度为15.5°，前后比为-23.4dB，最大增益达到19dB。

图9 天线阵的测试方向图（垂直场，安装水平）

第三种情况下的方向图的测试结果如图10所示。天线阵在中心频率上的3分贝宽度为15.4°，前后比为-23.2dB，最大增益达到16dB。

图10 天线阵的测试方向图（水平场，安装90°）

第四种情况下的方向图的测试结果如图11所示。天线阵在中心频率上的3分贝宽度为15.2°，前后比为-29.6dB，最大增益达到18dB。

图11 天线阵的测试方向图（水平场，安装水平）

水平场，安装水平的情况是天线应用的工况，在该情况下，天线的测试性能完全满足ETC系统对圆极化微带天线的技术要求。

4 结论

本文利用天线研究的数值方法以及微带天线理论分别对圆极化微带贴片单元以及天线阵列进行优化设计。该天线阵为2×8型，阵元的结构为等间距直线分布。阵元馈电电流的分布则是根据道尔夫-切比雪夫最优分布理论设计，采用平行馈电的形式。经过测试表明该天线阵具有低副瓣高增益的优点，应用在ETC系统中可以有效解决ETC系统中领道干扰，跟车干扰等问题，具有一定的应用研究价值。

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