0 引言
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(shù)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(xiàn)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(xié)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(shè)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(jìn)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(shù)，可以較大幅度地提高帶寬，但天線的結(jié)構(gòu)復(fù)雜。而對于單貼片微帶天線來說，采用一些新型的饋電技術(shù)可以有效地展寬天線的圓極化帶寬。如采用共面波導(dǎo)饋電、L型饋電、雙饋或四饋技術(shù)等等，雖然帶寬得到很大提高，但是結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜。
文章基于單貼片的圓形微帶天線，設(shè)計了一款交叉口徑耦合饋電" title="口徑耦合饋電">口徑耦合饋電的天線模型，此種饋電方式比較易于產(chǎn)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(jié)果，設(shè)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(jié)構(gòu)
為了實現(xiàn)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(diào)參數(shù)多；饋電結(jié)構(gòu)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(zhì)材料和介質(zhì)厚度，來滿足饋電結(jié)構(gòu)對輻射貼片的需要；通過調(diào)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(dá)到阻抗匹配等等。文章就是利用其饋電結(jié)構(gòu)和輻射貼片的基片彼此分離的特點，采用介電常數(shù)較低、厚度較大的輻射基片來降低天線的Q值，從而達(dá)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(chǎn)生干擾。
所設(shè)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(zhì)層，實際應(yīng)用中，考慮到天線結(jié)構(gòu)的牢固程度及抗沖擊性等方面，可以考慮采用介電常數(shù)相近的泡沫等材料進(jìn)行填充。空氣介質(zhì)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(shù)值在實際應(yīng)用中可以靈活的調(diào)節(jié)，只要滿足WS遠(yuǎn)小于L即可。接地平面下方為介電常數(shù)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(jìn)行仿真設(shè)計。所得到天線的S11散射參數(shù)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(dá)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(yuǎn)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(jié)構(gòu)的分析
對于使用單個縫隙進(jìn)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(jīng)被證實具有良好的適用性。而在文章當(dāng)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(yīng)用在如圖一所示的圓極化天線的分析當(dāng)中。
十字形縫隙在貼片當(dāng)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(dāng)中將這兩種模獨立地進(jìn)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(shù)。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(shù)。
兩個縫隙各自的總的導(dǎo)納為：
其中，nL1和nL2為貼片和縫隙之間的阻抗轉(zhuǎn)化率，具體數(shù)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(shù)以及開路線的長度，n為縫隙和微帶饋線之間的阻抗轉(zhuǎn)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(dāng)?shù)恼{(diào)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(dāng)縫隙L1的長度大于縫隙L2時，可以得到右旋的圓極化，而當(dāng)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(shù)的經(jīng)驗結(jié)果分析
a)天線基片介質(zhì)的選擇
根據(jù)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(zhì)因數(shù)Q值較高的諧振系統(tǒng)。為了有效降低微帶天線的品質(zhì)因數(shù)Q值，必須選擇介電常數(shù)較低、厚度較厚的介質(zhì)，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(zhì)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(jìn)行調(diào)節(jié)。通常，當(dāng)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(dāng)中顯示，天線對其數(shù)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(yīng)用當(dāng)中，可以根據(jù)實際情況具體選擇。如在本天線當(dāng)中，進(jìn)一步減小縫隙的寬度可以達(dá)到更好的匹配結(jié)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(diào)節(jié)口徑耦合天線的電抗，為了貼片天線與饋線可以達(dá)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(shù)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(shè)計過程當(dāng)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(jìn)行微調(diào)。
4 結(jié)束語
在文章當(dāng)中，針對ETC系統(tǒng)的OBU單元，設(shè)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(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了等效模型的分析。本天線模型結(jié)構(gòu)緊湊小巧，不僅可以滿足設(shè)計的需要，而且可調(diào)參數(shù)眾多，設(shè)計自由度比較高。通過合適的選擇各項參數(shù)的數(shù)值，設(shè)計出的天線可以滿足寬頻帶、高增益的要求。