一种应用于ETC终端信息采集系统的微带相控阵天线的制作方法

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及应用于ETC终端信息采集系统的基于新型Butler矩阵技术的微带相控阵天线。

背景技术：

传统的4×4Butler矩阵，当分别从不同的端口输入时，相邻输入端口可以产生±45°，±135°的相位差。通过微波开关可实现波束指向控制。传统Butler矩阵具有以下缺点：

1、没有0°，无法形成边射阵。

2、±135°相位会引入过大的旁辦，不利于系统实现。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种应用于ETC终端信息采集系统的微带相控阵天线，以解决波束扫描与车道识别，提高识别距离与识别成功率等技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种应用于ETC终端信息采集系统的微带相控阵天线，包括三部分，第一部分为由射频开关、交叉器、功分器组成的馈电网络，用于为Butler矩阵不同端口分配不同功率和相位的信号，并在开关切换时将信号输入到指定端口；第二部分为改进的Butler矩阵组成的波束形成网络，用于产生所需相位的信号并输入到指定的天线单元；第三部分为天线阵列，天线矩阵采用具有90°相位差的双辐射片设计；天线安装于中间车道中线正上方，天线法线方向的投影在中央车道中线上；

Butler矩阵包括耦合器、固定移相器，采用具有180°移相的功分器替代了一路耦合器，并在输入端加入了为了避免微带线穿层的交叉器，将4路Butler矩阵扩展为8路，即产生8路±90°和0°相位差的三路信号，以控制三个波束方向；产生8路具有等相位差的信号，首先，将四路Butler矩阵复制、翻转放置；然后将输入信号等分为具有180°相位差的信号，分别馈入Butler矩阵的输入端，即1L为+90°相位差输入信号，2L为-90°相位差输入信号，3L为0°相位差输入信号，1R为+90°相位差输入信号，1R与2L一致，但经过镜像对折后，相位差为-90°，2R为-90°相位差输入信号，3R为0°相位差输入信号；当端口1输入时，相位差为-90°，端口2输入时，相位差为+90°，端口3输入时，相位差为0°；如果经端口1输入，其能量只能由端口4输出；端口2、3没有能量，信号由端口1输入，经过网络后，会被分为等幅、相位差为180°的两路信号，分别馈入Butler矩阵1、2的端口1，进而产生八路具有等相位差的信号。

本发明的优点与积极效果如下：

本发明通过采用改进的Butler矩阵作为波束形成网络构成了3方向圆极化微带相控阵天线，成功实现了波束扫描与车道识别，不仅提高了识别距离与识别成功率，丰富了ETC终端信息采集系统检测功能，并且由于移相功分馈电网络使用微带线技术，相比于数字移相器方案，大大降低了系统建设成本。与传统Butler矩阵方案相比，改进的Butler矩阵方案有以下优点：

1)±90°相位差与±135°相位差相比，天线旁瓣较小。

2)0°相位差可以控制边射阵，能量集中在中心，增益值高。

附图说明

图1是本发明的ETC终端采集信息系统微带相控阵天线扫描流程图。

图2是本发明的Butler矩阵的相控阵天线的系统框图。

图3是本发明的Butler矩阵原理图。

图4是本发明的天线单元结构示意图。

具体实施方式

本发明以标准的单向3车道作为高速公路自由流环境下的典型应用场景，结合当前ETC系统衰减裕量，确定相控阵天线部分设计参数。根据《公路工程技术标准JTG B01-2014》标准规定，单个车道宽度为3.75米，三条车道跨度为11.25米。在检测断面设置一座净高大于5.5米的龙门架。每条车道内车辆均沿车道中线行驶。相控阵天线安装于中间车道中线正上方，天线法线方向的投影在中央车道中线上。

按照上述应用应用场景设计指标，参考GB/T 20851–2007《电子收费专用短程通信》,确定ETC相控阵天线技术指标如表1所示。

参见图1所示。由于天线互易原理，发射机与接收机通过一个环形器共用天线阵。发射机与接收机负责基带信号的DSRC通信协议控制，编码/解码，调制/解调，上变频/下变频，除此之外，还负责与波控模块实现同步，控制相控阵天线实现多车道波束扫描。

该相控阵天线采用厚度为0.8mm(铜厚不算在内)，介电常数为2.65的聚四氟乙烯(F4B)作为介质板。天线单元为方形倒角圆极化天线，宽度为15.2mm，切角为边长2.49mm的等边三角形，

天线单元采用具有90°相位差的双辐射片设计。将馈源经过等比例功分器分为两路等幅、相位差为90°的信号。此技术可以较大程度上提升天线轴比带宽。

基于Butler矩阵的相控阵天线，其原理如图2所示。基于Butler矩阵的相控阵天线由三部分组成。第一部分为由射频开关、交叉器、功分器组成的馈电网络，用于为Butler矩阵不同端口分配不同功率和相位的信号，并在开关切换时将信号输入到指定端口。第二部分为改进的Butler矩阵组成的波束形成网络，用于产生所需相位的信号并输入到指定的天线单元。第三部分为天线阵列。

为了克服传统Butler矩阵存在的不足，本发明改进的Butler矩阵方案。通过合理设计，产生8路±90°和0°相位差的三路信号，以控制三个波束方向。

传统方案中Butler矩阵由耦合器、固定移相器组成。在本发明方案中，由于天线设计具备3个波束指向，且为了将4路Butler矩阵扩展为8路，故采用具有180°移相的功分器替代了一路耦合器，并加入了交叉器。Butler矩阵原理图如图3所示。

改进的Butler矩阵原理图，首先，将四路Butler矩阵复制、翻转放置；然后将输入信号等分为具有180°相位差的信号，分别馈入Butler矩阵的输入端。这样就会产生八路具有等相位差的信号。1L为+90°相位差输入信号，2L为-90°相位差输入信号，3L为0°相位差输入信号；1R为+90°相位差输入信号(1R虽然与2L一致，但经过镜像对折后，相位差为-90°)，2R为-90°相位差输入信号，3R为0°相位差输入信号。

如图3所示，当端口1输入时，相位差为-90°，端口2输入时，相位差为+90°，端口3输入时，相位差为0°。交叉器的作用是为了避免微带线穿层。特定频率的射频信号，如果经端口1输入，其能量只能由端口4输出；端口2、3没有能量。

交叉器的信号由端口1输入，经过图3的网络后，会被分为等幅、相位差为180°的两路信号，分别馈入Butler矩阵1、2的端口1。这样就会产生八路具有等相位差的信号。输入端引入交叉器，一方面，消除了另外两路对工作路的影响；另一方面，空载的两路不用另外加载50Ω电阻，使用一个开关便可以控制三路信号的切换，大大减少器件个数。

Butler矩阵输入网络，整版采用双层板设计，大大降低了板材加工的成本。此方案开关电源可能对射频信号干扰较大。必须对电源线进行完整的包地。采用在射频线与电源线之间加载短路过孔的方式实现。

隔离过孔由于芯片引脚宽度为0.25mm，板材50Ω微带线宽度为2.14mm，两者相差过大，不能直接连接，否则会产生阻抗突变。在保证阻抗带宽的前提下，采用两段半波长阻抗变换线调整传输线阻抗，使得传输线在整条链路上阻抗匹配。

阵列天线，主要包括阵元设计及阵列天线设计两部分。阵列天线设计得阵列间距d调整为45mm，原因是Butler矩阵只能控制90°相位差，不能生成其他的相位差。因此调整d来调整波束方向。

天线单元的设计，微带天线首先要选择介质板。介质板是一片具有均匀介电常数和一定厚度的电介质薄板，一面附有金属铜箔作为地平面，另一面印刷有微带天线。本设计中采用四层板设计。顶层与第二层为聚四氟乙烯(F4B)，介电常数ε_r为2.65，厚度h为0.8mm(铜厚不算在内)。第二层与第三层之间为粘合层，厚度为0.1mm，第三层与第四层之间介质为RO4350B，介电常数为3.48，厚度为6.6mil(铜厚不算在内)。

天线单元选用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50Ω匹配。天线单元结构如图4所示：

天线单元馈电方式：单点馈电。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，使简并正交模的两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。

天线单元的边长L由式(2-x)得出：

切去三角形面积可由式(2-x)得出:

式中，Q为微带天线品质因数。

二单元天线的设计，为了获得更宽的轴比带宽，天线单元采用具有90°相位差的双辐射片设计。将馈源经过等比例功分器分为两路等幅、相位差为90°的信号。此技术可以较大程度上提升天线轴比带宽。

天线建模与仿真，通过采用CST仿真软件进行仿真优化，最终确定天线单元宽度为L＝15.6mm，切角为等边直角三角形，其边长为2.49mm，1/4波长匹配线宽度为W＝0.6mm，长度为9.2mm。电流由端口P1经过宽度为W1的传输线分给2段宽度为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＝2.24mm，W2＝1.26mm；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，λg这保证了输出端口处无反射；相移线L₁-L₂＝8.8mm≈λ_g/4(λ_g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。

为降低天线轴比，本设计采用2单元加旋转90°并加90°馈线的方式做相位补偿。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°。

在本设计中，为了获得更宽的阻抗带宽，天线馈电的微带线采用圆形弧技术。由于传统折线在加工过程中会在折线处突然变细，造成阻抗越变。而采用弧形线，在弯折处线宽不变，从而减小微带线阻抗越变，提升天线阻抗带宽，同时降低了加工难度，提高成品率。

阵列天线设计，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，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－切比雪夫分布方式，以更好的抑制副瓣电平，减少天线阵列向当前所指向车道以外的方向辐射过多能量，保证足够的读取距离以及车道分辨率。

功分器的建模与仿真，按照理论要求，计算出不同角度的电流幅值，采用1分8不等分功分器进行串馈分配。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，满足性能指标，本微带天线阵列采用水平方向8元阵的形式，阵列间距由计算求得，其中，Δφ_B为阵内相邻单元之间的阵内相移值，θ_B为设计所需波束指向，λ为波长，d即为所求阵元间距。。

表1. 5.8GHz圆极化相控阵天线指标