ETC用5.835GHz微带阵列天线的设计
摘要：设计了一种ETC用低旁瓣圆极化微带阵列天线，应用于电子收费（ETC）的路测单元（RSU）。为实现低旁瓣、圆极化的效果，对2个微带天线单元运用旋转与相位补偿的方法进行轴比改进，并以改进后的2单元作为辐射单元制作了一款基于道尔夫切比雪夫幅度分布的微带天线阵列。经过仿真与实际测量，该天线具有很好的低旁瓣、圆极化的效果。该天线对于ETC系统以及其他类似的天线系统具有很好的理论与实际意义。
关键词：ETC； RSU； 圆极化； 低旁瓣； 微带阵列天线
中图分类号：TN91934文献标识码：A文章编号：1004373X(2012)04014804
5.835 GHz microstrip array antenna used in ETC
SHAO Yipneg, BAI Ming, MA Huijin, MIAO Jungang
(Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100191, China)
Abstract： A lowsidelobe circularlypolarized microstrip array antenna used in road side unit (RSU) for electronic toll collection (ETC) was designed. In order to achieve the effect of lowsidelobe 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 DolphChebyshev. The simulation and measured results indicate that the antenna has the effect of lowsidelobe 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; lowsidelobe; microstrip array antenna
收稿日期：20110911
基金项目：国家自然科学基金资助项目（60771012）电子收费系统（Electronic Toll Collection,ETC）是国际上正在努力开发并推广普及的一种用于高速公路等处的收费系统,它最大特点是不停车收费。ETC系统主要由2部分组成，一是车载单元(OBU)， 二是路侧单元（RSU），RSU的主要部件是一个圆极化微带天线，工作时，RSU天线在水平面内扫描车道。根据实际应用的需求，若水平面内RSU天线旁瓣电平太高，会产生邻道干扰而发生重复收费的问题。为抑制此类情况的发生，有必要设计一款低旁瓣、圆极化微带阵列天线。
传统的圆极化天线主要采用单点馈电的方式，但是这种天线轴比带宽较小。本文先设计了一款单点馈电微带圆极化天线，通过对其轴比进行优化设计，以优化后的天线作为辐射单元组阵，对馈电网络进行设计，最终实现微带阵列天线的圆极化、低旁瓣效果。经过仿真与测试，天线完全满足需求，并且该形式天线可用于类似无线通信、雷达监测等领域。
1圆极化天线单元设计与优化
1.1天线单元的设计
天线单元的设计采用方形倒角圆极化天线单元［12］，天线结构如图1所示。
图1单点馈电圆极化天线单元该天线在面积为s、介质板厚度为h、介电常数为εr的侧馈方形微带天线基础上削去两个面积相等、和为Δs的等边直角三角形，使之形成圆极化功能，并通过1/4波长微带传输线与50 Ω匹配。根据空腔模理论，采用单点侧馈方式的矩形贴片天线可产生极化正交、幅度相等的2个简并模（TM01,TM10），但2简并模不能形成90°的相位差。为实现简并模间90°相位差以辐射圆极化波，需要在方形微带天线上附加一简并模分离单元，使简并正交模的2个谐振频率产生分离，天线实际工作频率f选在2谐振频率之间。
天线单元边长a由式(1)得出：a=c2fεe （1）式中：εe=12εr+1+(εr－1)(1+10ha)－1/2切去三角形面积可由式2得出：Δss=12Q（2）式中Q为微带天线品质因数
天线模型采用板材为双层覆铜、介电常数εr=2.65的聚四氟乙烯玻璃布，厚度为0.8 mm，其中铜层厚度为1 Oz（约35 μm厚）。经过仿真与优化设计，最终确定天线单元宽度为a=15.2 mm，切角为等边直角三角形，其边长为2.49 mm，1/4波长匹配线宽度为w=0.6 mm，长度为9.2 mm。对单元天线用电磁计算软件Empire仿真，算出工作于5.835 GHz频率时，输入阻抗为54 Ω，单元天线远场仿真方向图、轴比仿真方向图分别如图2、3所示，其中曲线1代表xOz面方向图，曲线2代表yOz面方向图。
图2天线单元远场仿真方向图图3天线轴比仿真方向图由仿真结果可见，天线增益为7.46 dB，远场方向图yOz面3 dB波束宽度为74.5°，xOz面3 dB波束宽度为80°。天线极化方式为右旋圆极化，轴比为3 dB。由仿真结果可见，天线轴比偏高，有待继续优化。
1.2圆极化天线轴比优化设计
1.2.1轴比优化方案
经过以上分析，设计的单点馈电圆极化天线单元满足右旋圆极化的效果，但该天线轴比较高，有待对其进行优化设计。
解决单元天线轴比偏高问题的一个办法是通过对天线单元进行旋转并对馈电相位进行相应补偿［3］。该方法已经在国内外得到充分发展［45］，普遍采用2单元与4单元顺序旋转90°并加90°馈线做相位补偿。为了后续天线组阵需要，本文采用2单元旋转与相位补偿的方式实现。2单元天线结构图和1分2功分器分别如图4（a），图4（b）所示。
图4经过旋转与相位补偿的2单元天线如图4（a）所示， 天线单元1相对天线单元2逆时针旋转90°，P1为激励源。P1分配给单元1、2的电流应达到幅度大小相等，相位单元2相对于单元1延迟90°。为实现所需电流分布，依据T型功分器原理［6］，设计了1分2的功分器，如图4（b）所示。电流由端口P1经过宽度为W1的传输线分给2段宽度均为W2、长度相同的1/4波长匹配线，并各自经过一段宽度为W1的相移线，分别到达端口P2和P3。其中W1=2.24 mm，W2=1.26 mm；P2、P3端口处传输线宽度为W1，其特性阻抗等于方形倒角圆极化天线单元输入阻抗，这保证了输出端口处无反射；相移线L1－L2=8.8 mm≈λg/4，λg为传输线上一个波长长度；相移线通过串接宽度W2的匹配段实现与宽度为W1的传输线匹配，避免了反射。对加上天线单元的1分2功分器输入阻抗进行仿真，得到P1端口输入阻抗为（61+j16）Ω，可见通过功分器连接的2单元天线输入阻抗并不是一个实数，这不利于后期天线单元的组阵。
通过在Smith圆图上的分析发现，在P1端口可并联一段长度L3=0.031λg、宽度为W1的开路传输线，输入阻抗变换为65 Ω的实数。对图4（b）所示1分2功分器网络传输参量进行仿真，得到端口P2与P3相对于P1的传输系数S21与S31，在5.835 GHz频点，S21幅值0.69，相位120°，S31幅值0.71，相位212°。即端口P2与端口P3电流幅值比近似为1∶1，端口P2电流相位滞后于端口P1π/2。因此，1/2的功分器的设计与仿真结果达到了要求。
1.2.22单元天线仿真与分析
对图4（a）所示2单元天线运用Empire仿真软件进行仿真，并与1单元进行对比，作出轴比随频率变化图对比图和5.835 GHz频点天线xOz面轴比随角度变化对比图如图5（a）、（b）所示。
图52单元轴比仿真图由图5（a）仿真结果可见，经过旋转与相位补偿后，2单元圆极化天线轴比在工作频率范围内降低，在5.84 GHz频点处轴比最小，最小值为0.61 dB，在5.84 GHz频点处轴比为0.65 dB，且3 dB轴比带宽达到906 MHz。由图5（b）仿真结果可见，经过旋转与相位补偿后，2单元圆极化天线轴比在xOz面扫描范围内较低，在0°轴比达到了0.62 dB，轴比低于3 dB的角度范围接近120°，低轴比角度范围较宽。通过该方法可以使2单元圆极化阵列的轴比在较高的频带范围与较大的角度范围内保持很低的效果。经过对仿真结果的分析，2单元圆极化天线低轴比频率范围得到了扩展，在5.835 GHz频点处xOz平面内低轴比的扫描角度范围较大，适合作为辐射单元组阵以实现ETC收费的用途，并选择xOz面作为RSU天线水平面。
2天线阵的设计与仿真
2.1馈电网络的设计
微带天线为了实现高增益、波束控制的特性，需要将多个辐射单元进行组阵并对馈电网络进行相应设计。
在阵因子个数有限，天线馈电电流采用相位相同、幅度均匀分布的阵列形式情况下，其阵因子方向图的第一副瓣电平在－15~-13 dB之间，为降低天线阵列的旁瓣电平，可对天线阵各单元馈电电流幅度采用道尔夫切比雪夫（DolphTchebyscheff）分布方式［7］。该方案对于指定的旁瓣电平，其第一零点波束宽度最窄；相反，对于指定的第一零点波束宽度，其旁瓣电平最低。为了控制天线尺寸，本微带天线阵列采用水平方向6元阵的形式。设理论要求28 dB的旁瓣抑制比，计算出水平方向馈电电流幅值比为1∶2.14∶3.05∶3.05∶2.14∶1。运用功分器设计原理，设计出一款按照电流幅度比值1∶2.14∶3.05∶3.05∶2.14∶1，相位相同的1分6的馈电网络。
图61分6馈电网络1分6馈电网络如图6所示，电流激励由P1E端口进入，经过T型功分器分别向两边均匀馈电，再各自经过1分3的串馈方式分配给各天线单元。其中，各天线单元相距λg，即保证了各天线单元馈电相位相同；同时，通过1/4波长传输线阻抗变换的方法控制各单元间电流幅度的比值。对图6传输网络散射参量进行仿真，得到馈电网络传输系数的仿真结果，对仿真结果进行分析，选择端口P2的输出电流作为参考，发现在5.835 GHz频点，端口P2，P3，P4，P5，P6，P7的输出电流幅度比值近似为1∶2.12∶3.06∶3.06∶2.12∶1，电流相位分别为0°，6°，8°，8°，9°，-1°。可见各天线单元电流幅度比值满足理论设计为28 dB的道尔夫切比雪夫电流分布，电流相位近似相等，满足设计需要。
2.2仿真与测试结果
根据前面的分析，通过1分2的功分器对2单元圆极化天线组合可以有效优化天线的轴比，提高3 dB轴比带宽，降低水平面角度范围内轴比；通过1分6功分器可以将馈电端口电流按照道尔夫切比雪夫电流分布进行分配，且各输出端口电流相位在中心频点处近似相等。因此，将1分6微带馈电网络与2单元天线阵列组装成微带阵列天线，并进行加工，加工工艺采用电化学腐蚀技术，加工精度为±0.02 mm。天线实物图如图7所示。将微带阵列天线在暗室紧缩场条件中进行测试。以微带阵列天线作为接收天线，安置于转台上；以紧缩场馈源作为发射天线，通过步进电机控制转台旋转，通过矢量网络分析仪来进行测试。测试了5.835 GHz频点水平面远场方向图、水平面轴比方向图、轴比随频率变化图，测试结果如图8所示。
图7天线实物图由测试结果知，微带阵列天线增益为15.5 dB，工作于5.835 GHz频点时，水平面天线3 dB波束宽度为16.5°，旁瓣抑制比为25.3 dB；天线极化方式为右旋圆极化，轴比最小时工作于5.83 GHz，此时轴比为0.626 6 dB；在5.835 GHz频点轴比为0.65 dB，轴比小于3 dB的轴比带宽为240 MHz（5.79~6.03 GHz），水平面天线轴比低于3 dB波束宽度为41°（-18.5°~23.5°）。 由测试结果可见，天线的轴比较低，低轴比带宽较宽，水平面低轴比角度范围较大，水平面远场方向图旁瓣电平低，天线增益高，各项性能参数满足设计需求。
图8实际天线测试结果3结语
本文介绍了一种ETC用5.835 GHz的微带阵列天线的设计方法。从测试结果来看，设计的微带阵列天线的低轴比带宽较宽，在中心频率5.835 GHz，天线增益高，远场方向图旁瓣电平低，水平面低轴比角度范围较大，解决了传统ETC天线远场方向图旁瓣电平较高、圆极化性能一般、馈电网络复杂的问题，对类似圆极化、低旁瓣微带天线系统的开发与应用具有重要的参考意义。
参考文献
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