专利名称：一种电子不停车收费系统用低旁瓣圆极化微带阵列天线的制作方法
技术领域：
本发明属于非接触式收费系统领域，具体来说，是一种用于电子不停车收费系统 (ETC,Electronic Toll Collection)中的路侧单元(RSU，Road-Side Unit)上的低旁瓣右旋圆极化微带阵列天线。
背景技术：
电子不停车收费系统利用车辆自动识别(Automatic Vehicle Identification简称AVI)技术完成车辆与收费站之间的无线数据通讯，进行车辆自动识别和有关收费数据的交换，通过计算机网络进行收费数据的处理，实现不停车自动收费的全电子收费系统。电子不停车收费系统主要是通过RSU与车载单元(0BU，On-Board Unit)的不接触通信而工作的。使用ETC时，车主只要在车辆上安装OBU并预存费用，通过收费站时便不用人工缴费，也无须停车，费用将从卡中自动扣除。这种收费系统每车收费耗时不到两秒，其收费通道的通行能力是人工收费通道的5到10倍。电子不停车收费系统是目前世界上最先进的收费系统，是智能交通系统的服务功能之一。它特别适于在高速公路或交通繁忙的桥梁、隧道环境下使用。近几年我国的电子不停车收费系统的研究和实施取得了一定进展。随着中国高速电子收费国家标准GB/T20851《电子收费专用短程通信》的发布和电子不停车收费系统技术在高速公路的广泛应用，人们对电子不停车收费系统的关键部分 RSU的核心部件天线的性能提出了更高的要求。由于电子不停车收费系统工作时，不希望 RSU天线发射出的信息被旁车道的车辆误接收或者被旁车道OBU发出的信息所干扰，使得人们对RSU天线远场方向图提出了更高的要求，希望降低远场方向图旁瓣电平的大小，提高旁瓣抑制比；当电子不停车收费系统工作于雨、雾天气等恶劣环境时，为抑制干扰，人们对电子不停车收费系统天线的轴比也提出了更高的要求；当电子不停车收费系统工作时， 需要将功率集中发射到制定通信范围内，因此对电子不停车收费系统天线的增益也提出了更高的要求。而现有的天线并不能很好地同时满足这些要求。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出可实现天线远场方向图的低轴比、高增益与低旁瓣性能的一种电子不停车收费系统用低旁瓣圆极化微带阵列天线。本发明天线包括微带天线板与馈电接头。微带天线板由两层金属箔片与一层介质基板构成，两层金属箔片间设置有介质基板；所述介质基板介电常数为2. 1 3. 5，损耗角为tan δ ^ 3Χ10_3，厚度小于 2mm ο位于顶层的金属箔片上包含微带馈电网络与辐射单元。辐射单元采用横向η个、 纵向两个的排列方式，形成ηΧ2的组阵形式(n ^ 5)；横向上η个辐射单元的中心位于同一横线上，纵向上两个辐射单元的中心位于同一竖线上；辐射单元为右旋圆极化天线；每个纵列上方的辐射单元相对于纵列下方的辐射单元间具有逆时针旋转90°的角度差，位于纵列上方的辐射单元馈电相位相对于位于纵列下方的辐射单元延迟90° ；通过微带馈电网络对位于同一纵列的两个辐射单元进行等幅馈电。所述微带馈电网络由微带馈线构成，由馈电接头对整个微带馈电网络加电流激励，使整个微带馈电网络对各纵列辐射单元加电流；通入到微带馈电网路中的电流从横向的主馈线中心处通入后，分为η路电流分别由相互平行的四分之一波长馈线通入到η条分馈线中，然后通过每条分馈线将电流等分到两个位于同一纵列的辐射单元中；同时，每一纵列中位于上方的辐射单元相对下方的辐射单元增加四分之一电波长的微带馈线长度；每条分馈线均顺时针倾斜，每条分馈线均与主馈线间形成30° 60°的夹角，使主馈线的竖直二等分线两侧的辐射单元相互对称；对于每一个纵列中位于上方的辐射单元，分馈线由辐射单元下方向其馈电；上述结构中，通过控制各四分之一波长馈线与主馈线的阻抗比值，得到所需要的各分馈线向各纵列中的两个辐射单元所通入的电流幅度比值；同一横线上的辐射单元所需要的电流幅度比值采用道尔夫-切比雪夫分布，电流相位相等。本发明微带天线同时具备低轴比、低旁瓣、高增益的优点，克服了现有的天线中的一些不足。且本发明中天线工作频段为5. 8GHz，符合了 GBT20851. 1-2007国际专用短程通信物理层标准。本发明的优点在于1、本发明微带天线中通过对各纵列上方的辐射单元相对于各纵列下方的辐射单元逆时针旋转90°，且位于纵列上方的辐射单元馈电相位相对于位于纵列下方的辐射单元延迟90°，由此降低了微带天线轴比；2、本发明微带天线中位于同一横线上的辐射单元所需要的电流幅度比值采用道尔夫-切比雪夫比值分布，电流相位相等，同一纵列上的辐射单元的电流幅度相等，降低了天线远场方向图的旁瓣电平；3、本发明微带天线中辐射单元组成nX2的阵列，在电子不停车收费系统通信范围内实现了高增益，满足通信时功率集中的需要。
图1为本发明中微带天线板结构正视图；图2为本发明中馈电接头结构示意图；图3为本发明中微带天线板结构侧剖图；图4为本发明中同一纵列上的两个辐射单元结构示意图；图5为本发明中每个纵列上的经过旋转与相位补偿后的两个辐射单元与一个辐射单元发射出的电磁波的轴比随频率变化图对比图；图6为本发明中每个纵列上的经过旋转与相位补偿后的两个辐射单元与一个辐射单元发射出的电磁波的轴比方向图对比图；图7为本发明中微带馈电网络结构示意图；图8为本发明微带天线远场方向图仿真与实测曲线的对比图；图9为本发明微带天线轴比随频率变化图仿真与测试曲线的对比图；图10为本发明微带天线轴比方向图仿真与测试曲线的对比图。
图中1-微带天线板 2-馈电接头102-介质基板 101-金属箔片线303-分馈线
3-微带馈电网络 4-辐射单元 301-主馈线302-四分之一波长馈
具体实施例方式本发明为一种电子不停车收费系统用低旁瓣圆极化微带阵列天线，如图1、图2所示，包括微带天线板1与馈电接头2。微带天线板1由两层金属箔片101与一层介质基板102 构成，如图3所示，其中两层金属箔片101间设置有介质基板102，三者相互固定。所述介质基板102为聚四氟乙烯玻璃布，聚四氟乙烯玻璃布相较于陶瓷板和环氧板，其介电常数较小 3. 5)，损耗角较小(tanS < 3 X 10_3)，硬度适中，损耗较小。为尽可能减小损耗， 提高天线增益，本发明选择的介质基板102的介电常数为2. 65，损耗角tan δ ^ 7Χ 10_4，厚度0. 8mm，选择的金属箔片101为铜箔片，厚度为IOz (约35um厚)。其中，位于顶层的金属箔片101上包含微带馈电网络3与辐射单元4。微带馈电网络3与辐射单元4通过蚀刻的方式制作于顶层的金属箔片101上，采用蚀刻的制作方法可在兼顾加工精度的情况下降低生产成本，便于大规模生产加工。如图1所示，其中，顶层的金属箔片101上的辐射单元4采用横向η个、纵向两个的排列方式，形成nX2的组阵形式(113 ；横向上η个辐射单元4的中心位于同一横线上，纵向上两个辐射单元4的中心位于同一竖线上。其中，每个辐射单元4为单点馈电方形倒角圆极化微带天线贴片，工作于 5. 8GHz频率。为了将微带天线设计为轴比较低的右旋圆极化天线，将辐射单元4设计为右旋圆极化天线，如图4所示；且每个纵列上方的辐射单元4相对于每个纵列下方的辐射单元 4间具有90°的逆时针旋转角度差，并将位于纵列上方的辐射单元4的馈电相位相对于位于纵列下方的辐射单元4的馈电相位延迟90° ；同时，通过微带馈电网络3对位于同一纵列的两个辐射单元4进行等幅馈电。由此，可有效降低纵列上两个右旋圆极化辐射单元4发射的电磁波的轴比。标准圆极化天线发出的平面波为标准圆极化电磁波，轴比为OdB，标准圆极化电磁波在两个正交方向x、y方向上电场强度大小相等，WEx = Ey，相位相差90°。然而，实际设计制作的圆极化天线发出的电磁波往往Ex Φ Ey，轴比较高。对于构成本发明微带天线的每个纵列上的两个辐射单元4，如图4所示，其中，PlE和Ρ2Ε分别为两个辐射单元4的馈电接入点，PlE和Ρ2Ε激发出的电流幅度相等，Ρ2Ε比PlE馈电相位延迟90°。由于底层金属箔片101的反射作用，使得两个辐射单元4所激发出的电磁波均沿Z方向正向传输。对于纵列中位于下方的辐射单元4来说，应发射沿Z方向正向传输的右旋圆极化电磁波，令其复数形式电场力为e\{z) = [/；-Ex^riy-Ey- /(1) ] · e-].p.z其中，i、&为X、Y方向的单位向量，Ex、Ey*X、Y方向的电场分量，β为相移常数， J = ^H，ζ为平面波沿Z方向正向传输的距离。对于纵列中位于上方的辐射单元4来说，经过90°旋转与90°馈电相位延迟后，同样应发射沿Z方向正向传输的右旋圆极化电磁波，其复数形式电场左2(z)为
.π . π￡2(z) = [f -Ey+iy ·Εχ·β^Ιβ'^ ·β-]·β·ζ因此，纵列上的两个辐射单元发射的沿Z方向正向传输的电磁波总电场左(ζ)为E(z) = El(Z) + E2(z) = [ -Ex^iy-Ey- ] · βΓ〗.β.ζ +\ix-Ey+iy-Ex-e^]· e]、·=[l .(Ex + j.Ey) + iy. (Εχ +j.Ey). /(—》]·由此可看出，每个纵列上的两个辐射单元4发射沿Z方向正向传输的电磁波总电场左(力为在X、y两个正交方向上分量幅度相等，大小为Ex+j · Ey,为标准圆极化电磁波，并且该电磁波旋向为右旋。与一个辐射单元4相比，本发明中每个纵列上的经过旋转与相位补偿后的两个辐射单元4发射出的电磁波的轴比在较高的频带范围保持较低的水平，如图 5所示；图4中，令虚线与YOZ平面夹角为Θ，在角θ的较大扫描范围内两个辐射单元4发射的电磁波轴比较低，如图6所示。因此本发明选择经过旋转与相位补偿的两个辐射单元 4作为组阵单元，且组阵时选择XOZ平面作为低旁瓣远场方向图所在平面。本发明微带馈电网络3如图7所示，由微带馈线构成，采用并联的方式由50欧姆 SMA馈电接头2对整个微带馈电网络3加电流激励，使整个微带馈电网络3对各纵列两个辐射单元4加电流。通入到微带馈电网路3中的电流从横向的主馈线301中心处通入后，分为η路电流分别由相互平行的四分之一波长馈线302通入到η条分馈线303中，然后通过每条分馈线303将电流等分到两个位于同一纵列的辐射单元4中；同时，每一纵列中位于上方的辐射单元4相对下方的辐射单元4增加四分之一电波长的微带馈线长度，即实现纵列中位于上方的辐射单元4相对下方的辐射单元4增加90°相位延迟的效果。由于主馈线 301上的电平对辐射单元4存在互耦效应，为了得到微带天线中心对称的远场方向图，在本发明中将每条分馈线303均顺时针倾斜，每条分馈线303均与主馈线301间形成30° 60°的夹角，由此使主馈线301的竖直二等分线两侧的辐射单元4相互对称。经过仿真优化后，本发明中每条分馈线303与主馈线301间夹角为45°。对于每一个纵列中位于上方的辐射单元4，分馈线303从辐射单元4下方向其馈电，由此减小相互平行的微带馈线间的互耦效应。上述结构中，通过控制各四分之一波长馈线302与主馈线301的阻抗比值，得到所需要的每条分馈线303向每个纵列中的两个辐射单元4所通入的电流幅度比值。本发明中同一横线上的辐射单元4所需要的电流幅度比值采用道尔夫-切比雪夫分布，电流相位相等，同一纵线上的辐射单元4所需要的电流幅度相等。道尔夫-切比雪夫分布可描述为同一直线上的η个相同的辐射单元可看为η个各向同性的点源，η个各向同性的点源的直线阵的远场方向图可被表示为N项有限傅里叶
w +1η
级数(η为奇数时，# =为偶数时，# =〗)，用相当幂次的切比雪夫多项式来匹配傅
里叶多项式，使之生成旁瓣等于指定电平的最优幅度分布。下面通过实施例来具体说明本发明微带天线顶层的金属箔片上具有横向6个辐射单元4、纵向两个辐射单元4 的结构，对横向上的6个辐射单元4所需要的电流幅度比值计算如下
设理论要求^dB的旁瓣抑制比，将旁瓣抑制比转化为十进制格式R 28dB = 201og10RR = 25. 12将辐射单元4看做点源，则横向上6个相同的辐射单元4可看成横向上6个各向同性的点源，点源数目η为6，远场方向图可被N为3项的有限傅里叶级数表示。取切比雪夫多项式幂次为5 (η-1 = 6-1 = 5)，设切比雪夫多项式中未知数为&，令切比雪夫多项式值等于十进制格式的旁瓣抑制比R的大小，则16x05-20X03+5X0 = 25. 12解得& = 1. 323。用识来表示与工作频率、观察方位和点源间距离有关的中间变量，令6个各向同性的点源通入的电流从左到右为12、I1,10,10,11,12,则用3项有限傅里叶级数表示的6个各向同性点源阵的总场E为
权利要求
1.一种电子不停车收费系统用低旁瓣圆极化微带阵列天线，包括微带天线板与馈电接头；微带天线板由两层金属箔片与一层介质基板构成，其中两层金属箔片间设置有介质基板；其中，位于顶层的金属箔片上包含微带馈电网络与辐射单元；辐射单元采用横向η个、 纵向两个的排列方式，形成ηΧ2的组阵形式，η彡5 ；横向上η个辐射单元的中心位于同一横线上，纵向上两个辐射单元的中心位于同一竖线上；辐射单元为右旋圆极化天线，每个纵列上方的辐射单元相对于纵列下方的辐射单元具有逆时针90°的旋转角度差，位于纵列上方的辐射单元馈电相位相对于位于纵列下方的辐射单元延迟90° ；通过微带馈电网络对位于同一纵列的两个辐射单元进行电流等幅馈电；所述微带馈电网络由微带馈线构成，采用并联的方式由馈电接头对整个微带馈电网络加激励，使整个微带馈电网络对各纵列辐射单元加电流；通入到微带馈电网络中的电流由横向的主馈线中心处通入后，分为η路电流分别由相互平行的四分之一波长馈线通入到η 条分馈线中，然后通过每条分馈线将电流等分到两个位于同一纵列的辐射单元中；同时，每一纵列中位于上方的辐射单元相对下方的辐射单元增加四分之一电波长的微带馈线长度； 每条分馈线均顺时针倾斜，每条分馈线均与主馈线间形成30° 60°夹角，使主馈线的竖直二等分线两侧的辐射单元相互对称；对于每一个纵列中位于上方的辐射单元，分馈线由辐射单元下方向其馈电；根据各四分之一波长馈线与主馈线的阻抗比值，得到所需要的每条分馈线向每个纵列中的两个辐射单元所通入的电流幅度比值；同一横线上的辐射单元所需要的电流幅度比值采用道尔夫-切比雪夫比值分布，且电流相位相等。
2.如权利要求1所述一种电子不停车收费系统用低旁瓣圆极化微带阵列天线，其特征在于所述介质基板介电常数为2. 1 3. 5，损耗角为tan δ ( 3X 10_3，厚度小于2mm。
3.如权利要求1所述一种电子不停车收费系统用低旁瓣圆极化微带阵列天线，其特征在于所述介质基板为聚四氟乙烯玻璃布。
4.如权利要求1所述一种电子不停车收费系统用低旁瓣圆极化微带阵列天线，其特征在于所述金属箔片为铜箔，厚度为10z。
5.如权利要求1所述一种电子不停车收费系统用低旁瓣圆极化微带阵列天线，其特征在于微带馈电网络与辐射单元通过蚀刻的方式制作于顶层的金属箔片上。
6.如权利要求1所述一种电子不停车收费系统用低旁瓣圆极化微带阵列天线，其特征在于所述辐射单元为单点馈电方形倒角右旋圆极化微带天线贴片。
7.如权利要求1所述一种电子不停车收费系统用低旁瓣圆极化微带阵列天线，其特征在于每条分馈线与主馈线间夹角为45°。
8.如权利要求1所述一种电子不停车收费系统用低旁瓣圆极化微带阵列天线，其特征在于所述馈电接头为50欧姆SMA馈电接头。
全文摘要
本发明公开了一种电子不停车收费系统用低旁瓣圆极化微带阵列天线，为金属箔片-介质基板-金属箔片三层结构。顶层金属箔片上包含微带馈电网络与辐射单元。辐射单元采用横向n个、纵向两个的组阵形式。每个纵列上方的辐射单元相对于纵列下方的辐射单元具有逆时针90°的旋转角度差，上方的辐射单元馈电相位相对下方的辐射单元延迟90°，馈电电流幅度相等；通过馈电接头实现对整个微带馈电网络加电流激励，使整个微带馈电网络对各辐射单元通入电流；同一横线上的辐射单元所需要的电流幅度比值采用简化的道尔夫-切比雪夫分布，电流相位相等。本发明微带天线同时具备低轴比、低旁瓣、高增益的优点，且易于加工、安装，在电子收费与其他相关领域中将被广泛采用。
文档编号H01Q13/08GK102394360SQ20111017814
公开日2012年3月28日 申请日期2011年6月29日 优先权日2011年6月29日
发明者白明, 邵一鹏 申请人:北京航空航天大学