專利名稱：一種電子不停車收費系統(tǒng)用低旁瓣圓極化微帶陣列天線的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于非接觸式收費系統(tǒng)領域，具體來說，是一種用于電子不停車收費系統(tǒng) (ETC,Electronic Toll Collection)中的路側(cè)單元(RSU，Road-Side Unit)上的低旁瓣右旋圓極化微帶陣列天線。
背景技術(shù)：
電子不停車收費系統(tǒng)利用車輛自動識別(Automatic Vehicle Identification簡稱AVI)技術(shù)完成車輛與收費站之間的無線數(shù)據(jù)通訊，進行車輛自動識別和有關收費數(shù)據(jù)的交換，通過計算機網(wǎng)絡進行收費數(shù)據(jù)的處理，實現(xiàn)不停車自動收費的全電子收費系統(tǒng)。電子不停車收費系統(tǒng)主要是通過RSU與車載單元(0BU，On-Board Unit)的不接觸通信而工作的。使用ETC時，車主只要在車輛上安裝OBU并預存費用，通過收費站時便不用人工繳費，也無須停車，費用將從卡中自動扣除。這種收費系統(tǒng)每車收費耗時不到兩秒，其收費通道的通行能力是人工收費通道的5到10倍。電子不停車收費系統(tǒng)是目前世界上最先進的收費系統(tǒng)，是智能交通系統(tǒng)的服務功能之一。它特別適于在高速公路或交通繁忙的橋梁、隧道環(huán)境下使用。近幾年我國的電子不停車收費系統(tǒng)的研究和實施取得了一定進展。隨著中國高速電子收費國家標準GB/T20851《電子收費專用短程通信》的發(fā)布和電子不停車收費系統(tǒng)技術(shù)在高速公路的廣泛應用，人們對電子不停車收費系統(tǒng)的關鍵部分 RSU的核心部件天線的性能提出了更高的要求。由于電子不停車收費系統(tǒng)工作時，不希望 RSU天線發(fā)射出的信息被旁車道的車輛誤接收或者被旁車道OBU發(fā)出的信息所干擾，使得人們對RSU天線遠場方向圖提出了更高的要求，希望降低遠場方向圖旁瓣電平的大小，提高旁瓣抑制比；當電子不停車收費系統(tǒng)工作于雨、霧天氣等惡劣環(huán)境時，為抑制干擾，人們對電子不停車收費系統(tǒng)天線的軸比也提出了更高的要求；當電子不停車收費系統(tǒng)工作時， 需要將功率集中發(fā)射到制定通信范圍內(nèi)，因此對電子不停車收費系統(tǒng)天線的增益也提出了更高的要求。而現(xiàn)有的天線并不能很好地同時滿足這些要求。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明提出可實現(xiàn)天線遠場方向圖的低軸比、高增益與低旁瓣性能的一種電子不停車收費系統(tǒng)用低旁瓣圓極化微帶陣列天線。本發(fā)明天線包括微帶天線板與饋電接頭。微帶天線板由兩層金屬箔片與一層介質(zhì)基板構(gòu)成，兩層金屬箔片間設置有介質(zhì)基板；所述介質(zhì)基板介電常數(shù)為2. 1 3. 5，損耗角為tan δ ^ 3Χ10_3，厚度小于 2mm ο位于頂層的金屬箔片上包含微帶饋電網(wǎng)絡與輻射單元。輻射單元采用橫向η個、 縱向兩個的排列方式，形成ηΧ2的組陣形式(n ^ 5)；橫向上η個輻射單元的中心位于同一橫線上，縱向上兩個輻射單元的中心位于同一豎線上；輻射單元為右旋圓極化天線；每個縱列上方的輻射單元相對于縱列下方的輻射單元間具有逆時針旋轉(zhuǎn)90°的角度差，位于縱列上方的輻射單元饋電相位相對于位于縱列下方的輻射單元延遲90° ；通過微帶饋電網(wǎng)絡對位于同一縱列的兩個輻射單元進行等幅饋電。所述微帶饋電網(wǎng)絡由微帶饋線構(gòu)成，由饋電接頭對整個微帶饋電網(wǎng)絡加電流激勵，使整個微帶饋電網(wǎng)絡對各縱列輻射單元加電流；通入到微帶饋電網(wǎng)路中的電流從橫向的主饋線中心處通入后，分為η路電流分別由相互平行的四分之一波長饋線通入到η條分饋線中，然后通過每條分饋線將電流等分到兩個位于同一縱列的輻射單元中；同時，每一縱列中位于上方的輻射單元相對下方的輻射單元增加四分之一電波長的微帶饋線長度；每條分饋線均順時針傾斜，每條分饋線均與主饋線間形成30° 60°的夾角，使主饋線的豎直二等分線兩側(cè)的輻射單元相互對稱；對于每一個縱列中位于上方的輻射單元，分饋線由輻射單元下方向其饋電；上述結(jié)構(gòu)中，通過控制各四分之一波長饋線與主饋線的阻抗比值，得到所需要的各分饋線向各縱列中的兩個輻射單元所通入的電流幅度比值；同一橫線上的輻射單元所需要的電流幅度比值采用道爾夫-切比雪夫分布，電流相位相等。本發(fā)明微帶天線同時具備低軸比、低旁瓣、高增益的優(yōu)點，克服了現(xiàn)有的天線中的一些不足。且本發(fā)明中天線工作頻段為5. 8GHz，符合了 GBT20851. 1-2007國際專用短程通信物理層標準。本發(fā)明的優(yōu)點在于1、本發(fā)明微帶天線中通過對各縱列上方的輻射單元相對于各縱列下方的輻射單元逆時針旋轉(zhuǎn)90°，且位于縱列上方的輻射單元饋電相位相對于位于縱列下方的輻射單元延遲90°，由此降低了微帶天線軸比；2、本發(fā)明微帶天線中位于同一橫線上的輻射單元所需要的電流幅度比值采用道爾夫-切比雪夫比值分布，電流相位相等，同一縱列上的輻射單元的電流幅度相等，降低了天線遠場方向圖的旁瓣電平；3、本發(fā)明微帶天線中輻射單元組成nX2的陣列，在電子不停車收費系統(tǒng)通信范圍內(nèi)實現(xiàn)了高增益，滿足通信時功率集中的需要。


圖1為本發(fā)明中微帶天線板結(jié)構(gòu)正視圖；圖2為本發(fā)明中饋電接頭結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明中微帶天線板結(jié)構(gòu)側(cè)剖圖；圖4為本發(fā)明中同一縱列上的兩個輻射單元結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明中每個縱列上的經(jīng)過旋轉(zhuǎn)與相位補償后的兩個輻射單元與一個輻射單元發(fā)射出的電磁波的軸比隨頻率變化圖對比圖；圖6為本發(fā)明中每個縱列上的經(jīng)過旋轉(zhuǎn)與相位補償后的兩個輻射單元與一個輻射單元發(fā)射出的電磁波的軸比方向圖對比圖；圖7為本發(fā)明中微帶饋電網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為本發(fā)明微帶天線遠場方向圖仿真與實測曲線的對比圖；圖9為本發(fā)明微帶天線軸比隨頻率變化圖仿真與測試曲線的對比圖；圖10為本發(fā)明微帶天線軸比方向圖仿真與測試曲線的對比圖。
圖中1-微帶天線板 2-饋電接頭102-介質(zhì)基板 101-金屬箔片線303-分饋線
3-微帶饋電網(wǎng)絡 4-輻射單元 301-主饋線302-四分之一波長饋
具體實施例方式本發(fā)明為一種電子不停車收費系統(tǒng)用低旁瓣圓極化微帶陣列天線，如圖1、圖2所示，包括微帶天線板1與饋電接頭2。微帶天線板1由兩層金屬箔片101與一層介質(zhì)基板102 構(gòu)成，如圖3所示，其中兩層金屬箔片101間設置有介質(zhì)基板102，三者相互固定。所述介質(zhì)基板102為聚四氟乙烯玻璃布，聚四氟乙烯玻璃布相較于陶瓷板和環(huán)氧板，其介電常數(shù)較小 3. 5)，損耗角較小(tanS < 3 X 10_3)，硬度適中，損耗較小。為盡可能減小損耗， 提高天線增益，本發(fā)明選擇的介質(zhì)基板102的介電常數(shù)為2. 65，損耗角tan δ ^ 7Χ 10_4，厚度0. 8mm，選擇的金屬箔片101為銅箔片，厚度為IOz (約35um厚)。其中，位于頂層的金屬箔片101上包含微帶饋電網(wǎng)絡3與輻射單元4。微帶饋電網(wǎng)絡3與輻射單元4通過蝕刻的方式制作于頂層的金屬箔片101上，采用蝕刻的制作方法可在兼顧加工精度的情況下降低生產(chǎn)成本，便于大規(guī)模生產(chǎn)加工。如圖1所示，其中，頂層的金屬箔片101上的輻射單元4采用橫向η個、縱向兩個的排列方式，形成nX2的組陣形式(113 ；橫向上η個輻射單元4的中心位于同一橫線上，縱向上兩個輻射單元4的中心位于同一豎線上。其中，每個輻射單元4為單點饋電方形倒角圓極化微帶天線貼片，工作于 5. 8GHz頻率。為了將微帶天線設計為軸比較低的右旋圓極化天線，將輻射單元4設計為右旋圓極化天線，如圖4所示；且每個縱列上方的輻射單元4相對于每個縱列下方的輻射單元 4間具有90°的逆時針旋轉(zhuǎn)角度差，并將位于縱列上方的輻射單元4的饋電相位相對于位于縱列下方的輻射單元4的饋電相位延遲90° ；同時，通過微帶饋電網(wǎng)絡3對位于同一縱列的兩個輻射單元4進行等幅饋電。由此，可有效降低縱列上兩個右旋圓極化輻射單元4發(fā)射的電磁波的軸比。標準圓極化天線發(fā)出的平面波為標準圓極化電磁波，軸比為OdB，標準圓極化電磁波在兩個正交方向x、y方向上電場強度大小相等，WEx = Ey，相位相差90°。然而，實際設計制作的圓極化天線發(fā)出的電磁波往往Ex Φ Ey，軸比較高。對于構(gòu)成本發(fā)明微帶天線的每個縱列上的兩個輻射單元4，如圖4所示，其中，PlE和Ρ2Ε分別為兩個輻射單元4的饋電接入點，PlE和Ρ2Ε激發(fā)出的電流幅度相等，Ρ2Ε比PlE饋電相位延遲90°。由于底層金屬箔片101的反射作用，使得兩個輻射單元4所激發(fā)出的電磁波均沿Z方向正向傳輸。對于縱列中位于下方的輻射單元4來說，應發(fā)射沿Z方向正向傳輸?shù)挠倚龍A極化電磁波，令其復數(shù)形式電場力為e\{z) = [/；-Ex^riy-Ey- /(1) ] · e-].p.z其中，i、&為X、Y方向的單位向量，Ex、Ey*X、Y方向的電場分量，β為相移常數(shù)， J = ^H，ζ為平面波沿Z方向正向傳輸?shù)木嚯x。對于縱列中位于上方的輻射單元4來說，經(jīng)過90°旋轉(zhuǎn)與90°饋電相位延遲后，同樣應發(fā)射沿Z方向正向傳輸?shù)挠倚龍A極化電磁波，其復數(shù)形式電場左2(z)為
.π . π￡2(z) = [f -Ey+iy ·Εχ·β^Ιβ'^ ·β-]·β·ζ因此，縱列上的兩個輻射單元發(fā)射的沿Z方向正向傳輸?shù)碾姶挪傠妶鲎?ζ)為E(z) = El(Z) + E2(z) = [ -Ex^iy-Ey- ] · β?！?β.ζ +\ix-Ey+iy-Ex-e^]· e]、·=[l .(Ex + j.Ey) + iy. (Εχ +j.Ey). /(—》]·由此可看出，每個縱列上的兩個輻射單元4發(fā)射沿Z方向正向傳輸?shù)碾姶挪傠妶鲎?力為在X、y兩個正交方向上分量幅度相等，大小為Ex+j · Ey,為標準圓極化電磁波，并且該電磁波旋向為右旋。與一個輻射單元4相比，本發(fā)明中每個縱列上的經(jīng)過旋轉(zhuǎn)與相位補償后的兩個輻射單元4發(fā)射出的電磁波的軸比在較高的頻帶范圍保持較低的水平，如圖 5所示；圖4中，令虛線與YOZ平面夾角為Θ，在角θ的較大掃描范圍內(nèi)兩個輻射單元4發(fā)射的電磁波軸比較低，如圖6所示。因此本發(fā)明選擇經(jīng)過旋轉(zhuǎn)與相位補償?shù)膬蓚€輻射單元 4作為組陣單元，且組陣時選擇XOZ平面作為低旁瓣遠場方向圖所在平面。本發(fā)明微帶饋電網(wǎng)絡3如圖7所示，由微帶饋線構(gòu)成，采用并聯(lián)的方式由50歐姆 SMA饋電接頭2對整個微帶饋電網(wǎng)絡3加電流激勵，使整個微帶饋電網(wǎng)絡3對各縱列兩個輻射單元4加電流。通入到微帶饋電網(wǎng)路3中的電流從橫向的主饋線301中心處通入后，分為η路電流分別由相互平行的四分之一波長饋線302通入到η條分饋線303中，然后通過每條分饋線303將電流等分到兩個位于同一縱列的輻射單元4中；同時，每一縱列中位于上方的輻射單元4相對下方的輻射單元4增加四分之一電波長的微帶饋線長度，即實現(xiàn)縱列中位于上方的輻射單元4相對下方的輻射單元4增加90°相位延遲的效果。由于主饋線 301上的電平對輻射單元4存在互耦效應，為了得到微帶天線中心對稱的遠場方向圖，在本發(fā)明中將每條分饋線303均順時針傾斜，每條分饋線303均與主饋線301間形成30° 60°的夾角，由此使主饋線301的豎直二等分線兩側(cè)的輻射單元4相互對稱。經(jīng)過仿真優(yōu)化后，本發(fā)明中每條分饋線303與主饋線301間夾角為45°。對于每一個縱列中位于上方的輻射單元4，分饋線303從輻射單元4下方向其饋電，由此減小相互平行的微帶饋線間的互耦效應。上述結(jié)構(gòu)中，通過控制各四分之一波長饋線302與主饋線301的阻抗比值，得到所需要的每條分饋線303向每個縱列中的兩個輻射單元4所通入的電流幅度比值。本發(fā)明中同一橫線上的輻射單元4所需要的電流幅度比值采用道爾夫-切比雪夫分布，電流相位相等，同一縱線上的輻射單元4所需要的電流幅度相等。道爾夫-切比雪夫分布可描述為同一直線上的η個相同的輻射單元可看為η個各向同性的點源，η個各向同性的點源的直線陣的遠場方向圖可被表示為N項有限傅里葉
w +1η
級數(shù)(η為奇數(shù)時，# =為偶數(shù)時，# =〗)，用相當冪次的切比雪夫多項式來匹配傅
里葉多項式，使之生成旁瓣等于指定電平的最優(yōu)幅度分布。下面通過實施例來具體說明本發(fā)明微帶天線頂層的金屬箔片上具有橫向6個輻射單元4、縱向兩個輻射單元4 的結(jié)構(gòu)，對橫向上的6個輻射單元4所需要的電流幅度比值計算如下
設理論要求^dB的旁瓣抑制比，將旁瓣抑制比轉(zhuǎn)化為十進制格式R 28dB = 201og10RR = 25. 12將輻射單元4看做點源，則橫向上6個相同的輻射單元4可看成橫向上6個各向同性的點源，點源數(shù)目η為6，遠場方向圖可被N為3項的有限傅里葉級數(shù)表示。取切比雪夫多項式冪次為5 (η-1 = 6-1 = 5)，設切比雪夫多項式中未知數(shù)為&，令切比雪夫多項式值等于十進制格式的旁瓣抑制比R的大小，則16x05-20X03+5X0 = 25. 12解得& = 1. 323。用識來表示與工作頻率、觀察方位和點源間距離有關的中間變量，令6個各向同性的點源通入的電流從左到右為12、I1,10,10,11,12,則用3項有限傅里葉級數(shù)表示的6個各向同性點源陣的總場E為
權(quán)利要求
1.一種電子不停車收費系統(tǒng)用低旁瓣圓極化微帶陣列天線，包括微帶天線板與饋電接頭；微帶天線板由兩層金屬箔片與一層介質(zhì)基板構(gòu)成，其中兩層金屬箔片間設置有介質(zhì)基板；其中，位于頂層的金屬箔片上包含微帶饋電網(wǎng)絡與輻射單元；輻射單元采用橫向η個、 縱向兩個的排列方式，形成ηΧ2的組陣形式，η彡5 ；橫向上η個輻射單元的中心位于同一橫線上，縱向上兩個輻射單元的中心位于同一豎線上；輻射單元為右旋圓極化天線，每個縱列上方的輻射單元相對于縱列下方的輻射單元具有逆時針90°的旋轉(zhuǎn)角度差，位于縱列上方的輻射單元饋電相位相對于位于縱列下方的輻射單元延遲90° ；通過微帶饋電網(wǎng)絡對位于同一縱列的兩個輻射單元進行電流等幅饋電；所述微帶饋電網(wǎng)絡由微帶饋線構(gòu)成，采用并聯(lián)的方式由饋電接頭對整個微帶饋電網(wǎng)絡加激勵，使整個微帶饋電網(wǎng)絡對各縱列輻射單元加電流；通入到微帶饋電網(wǎng)絡中的電流由橫向的主饋線中心處通入后，分為η路電流分別由相互平行的四分之一波長饋線通入到η 條分饋線中，然后通過每條分饋線將電流等分到兩個位于同一縱列的輻射單元中；同時，每一縱列中位于上方的輻射單元相對下方的輻射單元增加四分之一電波長的微帶饋線長度； 每條分饋線均順時針傾斜，每條分饋線均與主饋線間形成30° 60°夾角，使主饋線的豎直二等分線兩側(cè)的輻射單元相互對稱；對于每一個縱列中位于上方的輻射單元，分饋線由輻射單元下方向其饋電；根據(jù)各四分之一波長饋線與主饋線的阻抗比值，得到所需要的每條分饋線向每個縱列中的兩個輻射單元所通入的電流幅度比值；同一橫線上的輻射單元所需要的電流幅度比值采用道爾夫-切比雪夫比值分布，且電流相位相等。
2.如權(quán)利要求1所述一種電子不停車收費系統(tǒng)用低旁瓣圓極化微帶陣列天線，其特征在于所述介質(zhì)基板介電常數(shù)為2. 1 3. 5，損耗角為tan δ ( 3X 10_3，厚度小于2mm。
3.如權(quán)利要求1所述一種電子不停車收費系統(tǒng)用低旁瓣圓極化微帶陣列天線，其特征在于所述介質(zhì)基板為聚四氟乙烯玻璃布。
4.如權(quán)利要求1所述一種電子不停車收費系統(tǒng)用低旁瓣圓極化微帶陣列天線，其特征在于所述金屬箔片為銅箔，厚度為10z。
5.如權(quán)利要求1所述一種電子不停車收費系統(tǒng)用低旁瓣圓極化微帶陣列天線，其特征在于微帶饋電網(wǎng)絡與輻射單元通過蝕刻的方式制作于頂層的金屬箔片上。
6.如權(quán)利要求1所述一種電子不停車收費系統(tǒng)用低旁瓣圓極化微帶陣列天線，其特征在于所述輻射單元為單點饋電方形倒角右旋圓極化微帶天線貼片。
7.如權(quán)利要求1所述一種電子不停車收費系統(tǒng)用低旁瓣圓極化微帶陣列天線，其特征在于每條分饋線與主饋線間夾角為45°。
8.如權(quán)利要求1所述一種電子不停車收費系統(tǒng)用低旁瓣圓極化微帶陣列天線，其特征在于所述饋電接頭為50歐姆SMA饋電接頭。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電子不停車收費系統(tǒng)用低旁瓣圓極化微帶陣列天線，為金屬箔片-介質(zhì)基板-金屬箔片三層結(jié)構(gòu)。頂層金屬箔片上包含微帶饋電網(wǎng)絡與輻射單元。輻射單元采用橫向n個、縱向兩個的組陣形式。每個縱列上方的輻射單元相對于縱列下方的輻射單元具有逆時針90°的旋轉(zhuǎn)角度差，上方的輻射單元饋電相位相對下方的輻射單元延遲90°，饋電電流幅度相等；通過饋電接頭實現(xiàn)對整個微帶饋電網(wǎng)絡加電流激勵，使整個微帶饋電網(wǎng)絡對各輻射單元通入電流；同一橫線上的輻射單元所需要的電流幅度比值采用簡化的道爾夫-切比雪夫分布，電流相位相等。本發(fā)明微帶天線同時具備低軸比、低旁瓣、高增益的優(yōu)點，且易于加工、安裝，在電子收費與其他相關領域中將被廣泛采用。
文檔編號H01Q13/08GK102394360SQ20111017814
公開日2012年3月28日 申請日期2011年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月29日
發(fā)明者白明, 邵一鵬 申請人:北京航空航天大學