5.835 GHz 微带阵列天线的设计

朱福冉 吴爱婷 张鹏泉 张忠海 官伯然

（杭州电子科技大学，杭州 310018）

引 言

目前无论国外和国内，高速公路站处的交通问题都非常严重. 在高速公路处，电子不停车收费(electronic toll collection, ETC)系统是应用最广泛的系统之一. 现在国外和国内都在大力推行ETC 系统[1]，ETC 系统是未来的发展趋势. 但ETC 系统在实际应用中还存在着跟车干扰、邻道干扰等问题，因此设计一款ETC 系统中的路侧单元(road side unit, RSU) 阵列天线，进一步降低ETC 系统中存在的跟车干扰及邻道干扰问题是很有必要的. 目前，在提高阵列天线增益、轴比(axial ratio, AR)带宽以及降低天线旁瓣方面已经提出了很多方法：在提高天线增益方面，可通过采用新材料或多层介质的方法以及使用改变馈电网络的方法，如使用双角串馈的结构馈电[2]；在提高天线AR 带宽方面主要采用顺序旋转馈电的方式；在降低天线的旁瓣方面，一般是通过使阵元的分布更密集或改变激励的幅度分度[3]，其中改变激励幅度分布的方法一般有切比雪夫、泰勒综合法和贝利斯综合法. 文献[4]通过采用圆极化阵列天线中常见的顺序旋转馈电来提高阵列天线的AR 带宽. 文献[5]通过采用伍德沃德-劳森综合法获得了主瓣平坦、在±34°内具有超低副瓣的辐射方向图特性. 文献[6]通过仿真和实验研究了不同基片厚度的单馈电截角圆极化微带天线的性能，发现当使用较厚的衬底及使用U 槽或L 形探针来影响阻抗匹配时，AR 宽度可以大大提高. 文献[7]设计了一种多层介质叠加的微带天线阵列，通过采用多层介质来提高微带阵列天线的增益. 文献[8]设计了一款应用于ETC 系统RSU 的低旁瓣圆极化微带阵列天线，在一定程度上实现了低旁瓣、圆极化. 文献[9]主要针对传统平面阵列天线圆极化AR 带宽窄的缺点，提出采用连续旋转馈电的方法来改善其AR 带宽.

本文提出一款新型的微带阵列天线，天线E 面具有非常窄的波束宽度、高增益、低旁瓣以及较宽的带宽及AR 带宽. 与文献[8]和文献[9]相比，文中提出的阵列天线E 面波束宽度得到显著提升，文献[8]中E 面波束宽度为1 6.5°，文献[9]中E 面波束宽度为20° 左右，而提出的天线E 面的波束宽度仅为9°，天线的定向性得到了大大的提高.

1 天线设计指标

天线设计指标如表1 所示.

表1 天线设计指标Tab. 1 Antenna design index

2 天线基本单元设计

天线基本单元的设计采用方形切角的方式[10-12].图1(a)为天线基本单元贴片图，(b)为天线基本单元模型图，(c)为天线表面电流分布图.

图1 天线基本单元Fig. 1 Diagram of antenna basic unit

该天线基本单元的贴片设计为在方形贴片的基础上削去两个面积相等的等边直角三角形，从而实现圆极化[13]的功能.

矩形微带天线尺寸为

图2 a 取不同值时天线基本单元S11Fig. 2 S11 results of antenna basic unit with differernt a

图3 天线基本单元增益和E 面波束宽度Fig. 3 E-plane beam width and antenna basic unit gain

图4 天线基本单元AR 带宽Fig. 4 AR bandwidth results of antenna basic unit

3 天线辐射单元设计

天线子阵的具体设计为基本单元依次顺序旋转90° ，4 个单元分别为0° 、 90° 、1 80° 、 270°，同时之后依次加 90°馈线进行相位的补偿. 馈线的长度为8.8 m，约为 λg/4， λg为传输线上一个波长长度. 天线子阵的阵元间距为38.8 m，约为0.75λ0[9]， λ0为5.8 GHz 电磁波在自由空间的波长. 由于阵列天线阵元间距的不同会导致单元间互耦效应的不同，阵列天线设计时阵元间距一般取值为0.5 λ0. 图5 为天线辐射单元的模型图，辐射单元中有3 个一分二的等分功分器，用来保证4 个基本单元的等幅馈电.

图5 天线辐射单元模型图Fig. 5 Model diagram of antenna radiation unit

天线辐射单元带宽的仿真结果如图6 所示，为5.69～5.96 GHz；AR 带宽的仿真结果如图7 所示，为5.71～5.86 GHz；天线单元增益的仿真结果如图8 所示，为11.41 dB；E 面3 dB 波束宽度及旁瓣图的仿真结果如图9 所示，3 dB 波束宽度约为 37.3°，旁瓣为-10.62 dB、-12.36 dB. 与天线基本单元相比，AR 带宽有较大的提升，但离预期目标相差较远.

图6 天线辐射单元S11Fig. 6 S11 results of antenna radiation unit

图7 天线辐射单元AR 带宽Fig. 7 AR results of antenna radiation unit

图8 天线辐射单元增益Fig. 8 Gain of antenna radiation unit

图9 天线辐射单元E 面波束宽度及旁瓣Fig. 9 E-plane beam width and sidelobe of antenna radiation unit

4 馈电网络及RSU 阵列天线的设计

阵列天线馈电网络设计采用道尔夫-切比雪夫不等式[15]，道尔夫-切比雪夫分布方式可在指定第一零点波束宽度时，使旁瓣电平最低. 根据20 dB 的旁瓣抑制比要求，计算出水平方向馈电电流幅值比为1∶2.14∶2.14∶1. 1 分4 馈电网络如图10 所示，电流激励由P1口进入，输入口的特征阻抗为 50 Ω，通过T 型功分器向两边均匀馈电，故两边的特征阻抗为1 00 Ω.再分别通过1 分2 的串馈方式分配给各天线辐射单元，通过1/4 波长阻抗变化的方法控制馈电网络电流的幅值比.

图10 1 分4 馈电网络Fig. 10 Feed network

天线馈电网络为左右对称，右侧1/4 波长匹配线阻抗值同左侧，端口P2、P3、P4、P5的输出电流幅度比1∶2.14∶2.14∶1. 为了使各天线辐射单元保持馈电相位一致[8]，各天线辐射单元之间的间距设为0.6 λg.图11 和12 所示分别为馈电网络各端口相位和幅值的仿真数据. 仿真数据表明在中心频点处馈电网络各端口相位基本一致，端口2、5 和端口3、4 的幅值比约为2.14. 为实现窄波束宽度及高增益的特性，将馈电网络与4 个辐射单元进行组阵，并在整体仿真时对馈电网络中的参数进行优化，得到RSU 阵列天线. 天线尺寸为285 mm×75 mm，如图13 所示.

图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

图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

图13 5.835 GHz 阵列天线图Fig. 13 5.835 GHz array antenna diagram

5 仿真与实测结果

图14 为微带阵列天线实物图. 通过网络分析仪和微波暗室来对天线进行测试.

图14 天线实物图Fig. 14 Propotype of the antenna

图15 为微波暗室实测图. 在微波暗室测试时，以喇叭天线作为发射天线，该文中的微带阵列天线为接收天线. 接收天线放于转台上，用电机控制转台进行 360°的旋转，对增益、方向图、AR、波束宽度等参数进行测量.

图15 微波暗室实测图Fig. 15 Measurement picture in microwave anechoic chamber

天线阻抗带宽的仿真结果为5.64～5.89 GHz，实测结果为5.67～5.88 GHz，如图16 所示；天线AR 带宽的仿真结果为5.712～5.869 GHz，如图17 所示；增益的仿真结果为17.63 dBi，如图18 所示；天线方向图的仿真和实测结果如图19 所示，仿真E 面半功率波束宽度为1 0.42°，旁瓣为-15.97 dB 和-18.69 dB，实测E 面半功率波束宽度为9°，旁瓣为-16.5 dB 和-18 dB.

图16 天线S11Fig. 16 S11 results of antenna

图17 天线AR 带宽Fig. 17 AR results of antenna

图18 天线增益Fig. 18 Gain of antenna

图19 天线E 面波束宽度及旁瓣Fig. 19 E-plane beam width and sidelobe of antenna

表2 所示为天线AR 带宽、增益、3 dB 波束宽度参数的实测数据. 可知，在5.7～5.9 GHz 频段内AR 小于3 dB，波束宽度都在10°左右，增益大于15 dB，与仿真数据基本一致. 而增益的实测数据与仿真相差较大一点，但也符合预期的设计指标. 造成数据偏差的可能原因如下：一为制造工艺的问题，二为测试过程中各种接头的连接问题，但总体而言，此RSU 阵列天线的各项性能符合了预期的设计指标.

表2 阵列天线性能测试结果Tab. 2 Relevant test results of array antenna

与其他同类天线的对比结果如表3 所示，可以看出本文设计的天线具有更窄的波束宽度，定向性得到了大大提升.

表3 同类天线性能对比Tab. 3 Performance comparison of similar antennas

6 结 论

本文提出了一款用于ETC 系统的5.835 GHz 微带阵列天线. 仿真和实测结果表明通过天线结构的设计，可降低天线的波束宽度，可实现高定向、低旁瓣、圆极化以及较宽的带宽和AR 带宽，从而可降低目前ETC 系统存在的邻道干扰、跟车干扰等问题，对目前的RSU 天线开发具有重要的参考意义. 与前人工作相比，本文中的天线波束宽度更窄，定向性更好. 但此天线还存在着H 面波束宽度较宽和H 面旁瓣低的问题，预期的设想为天线在纵向上组阵.