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不停車電子計費系統(tǒng)(ETC)是一種用于高速公路、橋梁以及隧道等眾多收費場所的全自動電子化收費系統(tǒng)，是解決高速公路收費口擁堵、節(jié)約高速公路用地資源及節(jié)能減排的有效手段。相比較正在使用的人工半自動收費方式，電子不停車收費技術可使車道通行能力提升3至5倍。ETc系統(tǒng)通過自動車輛識別系統(tǒng)(AVI)以及收費信息的實時在線交互來實現車輛和收費站之間的無線通信。通過車輛的RFID系統(tǒng)和路邊收費單元之間的短距離專用通信，ETC系統(tǒng)可以在沒有其他任何人為協作的情況下獨自完成整個收費的流程。文章針對ETC系統(tǒng)設計了一款天線以用于其車載(OBU)單元。 為了滿足小型化、寬頻帶、以及圓極化的要求，文章對眾多的微帶天線形式進行了研究。普通的單貼片微帶天線的圓極化帶寬是很窄的，一般都不超過1％。使用微帶天線陣技術，可以較大幅度地提高帶寬，但天線的結構復雜。而對于單貼片微帶天線來說，采用一些新型的饋電技術可以有效地展寬天線的圓極化帶寬。如采用共面波導饋電、L型饋電、雙饋或四饋技術等等，雖然帶寬得到很大提高，但是結構也比較復雜。 文章基于單貼片的圓形微帶天線，設計了一款交叉口徑耦合饋電的天線模型，此種饋電方式比較易于產生圓極化波，而且其阻抗匹配以及頻帶寬度等方面都可以獲得比較理想的結果，設計出的天線模型完全可以滿足小型化、寬頻帶以及增益等方面的要求。 1 天線結構 為了實現寬頻帶的特性，本天線采用了口徑耦合的饋電方式。相比于同軸線或微帶線饋電，口徑耦合饋電具有一些顯著的優(yōu)點：饋電處無需焊點，用于阻抗匹配的可調參數多；饋電結構和輻射貼片采用的基片彼此分離，可以獨立地選擇不同的介質材料和介質厚度，來滿足饋電結構對輻射貼片的需要；通過調整耦合縫隙的長度或者微帶饋線開路端的長度，可以比其他饋電方式更容易地與輻射貼片達到阻抗匹配等等。文章就是利用其饋電結構和輻射貼片的基片彼此分離的特點，采用介電常數較低、厚度較大的輻射基片來降低天線的Q值，從而達到展寬帶寬的目的。此外，接地板還可以屏蔽來自饋線的寄生輻射，避免其對天線上半部分的輻射方向圖產生干擾。 所設計的天線模型如圖1所示。輻射貼片采用圓形貼片，半徑R=12．8毫米，貼片下面為一個厚度為2毫米的空氣介質層，實際應用中，考慮到天線結構的牢固程度及抗沖擊性等方面，可以考慮采用介電常數相近的泡沫等材料進行填充。空氣介質層下方為一個開出十字型耦合槽的接地平面。此十字耦合槽的兩臂不等長，L1長為14毫米，L2長為12毫米，長度之比約為1．17。縫隙寬WS=1mm，此數值在實際應用中可以靈活的調節(jié)，只要滿足WS遠小于L即可。接地平面下方為介電常數為4．4，厚度為lmm的FR4饋電基片，饋電基片下方為微帶饋線，其寬度Wf=2mm，以保證饋線的輸入阻抗為50歐姆左右。微帶饋線與十字型耦合槽的兩臂的偏置角度為45度。其開路端到中心點的距離為6毫米，以保證微帶天線的輸入阻抗得到良好的匹配。 文章采用基于有限元法的Ansoft公司的HFSS軟件進行仿真設計。所得到天線的S11散射參數圖以及軸比圖如圖二和圖三所示。由圖二可知，天線諧振于5．8GHz,頻率處，此頻率點S11散射參量的最低值可以達到一33dB，說明此天線匹配良好，天線VSWR 2的阻抗帶寬值約為6．9％，而軸比小于3dB的圓極化帶寬約為3．8％天線的遠場方向圖及增益如圖4所示，在邊射方向上(θ=0°)的最大增益為7．6dB。 2 對于饋電結構的分析 對于使用單個縫隙進行口徑耦合的線極化貼片天線來說，Himdi提出的傳輸線模型已經被證實具有良好的適用性。而在文章當中，通過將十字縫隙等效成為互相垂直的兩個單獨的縫隙，也就是將天線等效成為兩個互相正交的線極化天線，我們可以將這種方法應用在如圖一所示的圓極化天線的分析當中。 十字形縫隙在貼片當中分別激勵出相互正交的兩個模，我們可以在微帶貼片天線當中將這兩種模獨立地進行分析。天線的等效傳輸線模型如圖二所示。 如圖所示，R為貼片天線的半徑。RP+XP為天線的輻射阻抗。ZCP為貼片的特性阻抗。γ為傳輸常數。由圖中可以看出，ZP是由天線的耦合縫隙決定的。而這兩個縫隙各自的阻抗可以由下式給出： 式中的z和k分別為縫隙的特性阻抗和波數。 兩個縫隙各自的總的導納為： 其中，nL1和nL2為貼片和縫隙之間的阻抗轉化率，具體數值可以由下式給出： 總的輸入電阻的計算公式為： 其中，Zcf、kj和t分別為微帶饋線的特性阻抗和波數以及開路線的長度，n為縫隙和微帶饋線之間的阻抗轉換率。 因為天線的兩個諧振模是由耦合縫隙的長度決定的，因此通過適當的調節(jié)十字縫隙的長度，便可以得到理想的圓極化。不等長的縫隙可以激勵出兩個相近的諧振模式，為了得到圓極化，這兩個模式需要幅度相近而相位相差90度。當縫隙L1的長度大于縫隙L2時，可以得到右旋的圓極化，而當縫隙L2的長度大于縫隙L1時，左旋的圓極化便可以被激勵出來。 3 天線參數的經驗結果分析 a)天線基片介質的選擇 根據腔模理論，微帶貼片天線可等效為一漏波諧振腔，盡管有較強的輻射，但它依然是品質因數Q值較高的諧振系統(tǒng)。為了有效降低微帶天線的品質因數Q值，必須選擇介電常數較低、厚度較厚的介質，而對于饋電基片，選擇較薄的基片將有效降低來自饋線的偽輻射，在本例中，由于采用了口徑耦合饋電方式，因此可以針對不同的需要來分別選擇。但輻射基片的介質厚度并不能太厚，否則容易在貼片天線表面激勵起不必要的高次模和偽輻射，通常其最大值不能超過0．052λ。 b)耦合縫隙寬度的選擇 耦合縫隙的寬度對天線整體性能的影響較小，其值可以用來對天線的阻抗匹配進行調節(jié)。通常，當增大天線輻射基片的厚度時，也需要加大縫隙的寬度來增強耦合度。在文章的研究當中顯示，天線對其數值的變化并不敏感，一般使其小于縫隙長度的十分之一即可。因此在應用當中，可以根據實際情況具體選擇。如在本天線當中，進一步減小縫隙的寬度可以達到更好的匹配結果，但是考慮到實際制作的方便，便將其定為1mm。 c)饋線開路端長度的選擇 饋線開路端的長度既饋線開路端到中心點的距離。其值常用來調節(jié)口徑耦合天線的電抗，為了貼片天線與饋線可以達到最優(yōu)化的阻抗匹配，其值一般選擇為四分之一波長即可。同時，它的數值變化也會引起天線諧振頻率的輕微變化，因此在天線的設計過程當中，也可以綜合考慮，在保證阻抗匹配的前提下，利用它來對天線的頻率進行微調。 4 結束語 在文章當中，針對ETC系統(tǒng)的OBU單元，設計了一種十字縫隙口徑耦合饋電的右旋圓極化微帶天線，并且對其饋電網絡進行了等效模型的分析。本天線模型結構緊湊小巧，不僅可以滿足設計的需要，而且可調參數眾多，設計自由度比較高。通過合適的選擇各項參數的數值，設計出的天線可以滿足寬頻帶、高增益的要求。 |
