本發(fā)明屬于無線通信技術領域，特別涉及應用于ETC終端信息采集系統(tǒng)的基于新型Butler矩陣技術的微帶相控陣天線。

背景技術：

傳統(tǒng)的4×4Butler矩陣，當分別從不同的端口輸入時，相鄰輸入端口可以產生±45°，±135°的相位差。通過微波開關可實現波束指向控制。傳統(tǒng)Butler矩陣具有以下缺點：

1、沒有0°，無法形成邊射陣。

2、±135°相位會引入過大的旁辦，不利于系統(tǒng)實現。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的是提供一種應用于ETC終端信息采集系統(tǒng)的微帶相控陣天線，以解決波束掃描與車道識別，提高識別距離與識別成功率等技術問題。

為了實現上述發(fā)明目的，本發(fā)明所采用的技術方案如下：

一種應用于ETC終端信息采集系統(tǒng)的微帶相控陣天線，包括三部分，第一部分為由射頻開關、交叉器、功分器組成的饋電網絡，用于為Butler矩陣不同端口分配不同功率和相位的信號，并在開關切換時將信號輸入到指定端口；第二部分為改進的Butler矩陣組成的波束形成網絡，用于產生所需相位的信號并輸入到指定的天線單元；第三部分為天線陣列，天線矩陣采用具有90°相位差的雙輻射片設計；天線安裝于中間車道中線正上方，天線法線方向的投影在中央車道中線上；

Butler矩陣包括耦合器、固定移相器，采用具有180°移相的功分器替代了一路耦合器，并在輸入端加入了為了避免微帶線穿層的交叉器，將4路Butler矩陣擴展為8路，即產生8路±90°和0°相位差的三路信號，以控制三個波束方向；產生8路具有等相位差的信號，首先，將四路Butler矩陣復制、翻轉放置；然后將輸入信號等分為具有180°相位差的信號，分別饋入Butler矩陣的輸入端，即1L為+90°相位差輸入信號，2L為-90°相位差輸入信號，3L為0°相位差輸入信號，1R為+90°相位差輸入信號，1R與2L一致，但經過鏡像對折后，相位差為-90°，2R為-90°相位差輸入信號，3R為0°相位差輸入信號；當端口1輸入時，相位差為-90°，端口2輸入時，相位差為+90°，端口3輸入時，相位差為0°；如果經端口1輸入，其能量只能由端口4輸出；端口2、3沒有能量，信號由端口1輸入，經過網絡后，會被分為等幅、相位差為180°的兩路信號，分別饋入Butler矩陣1、2的端口1，進而產生八路具有等相位差的信號。

本發(fā)明的優(yōu)點與積極效果如下：

本發(fā)明通過采用改進的Butler矩陣作為波束形成網絡構成了3方向圓極化微帶相控陣天線，成功實現了波束掃描與車道識別，不僅提高了識別距離與識別成功率，豐富了ETC終端信息采集系統(tǒng)檢測功能，并且由于移相功分饋電網絡使用微帶線技術，相比于數字移相器方案，大大降低了系統(tǒng)建設成本。與傳統(tǒng)Butler矩陣方案相比，改進的Butler矩陣方案有以下優(yōu)點：

1)±90°相位差與±135°相位差相比，天線旁瓣較小。

2)0°相位差可以控制邊射陣，能量集中在中心，增益值高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的ETC終端采集信息系統(tǒng)微帶相控陣天線掃描流程圖。

圖2是本發(fā)明的Butler矩陣的相控陣天線的系統(tǒng)框圖。

圖3是本發(fā)明的Butler矩陣原理圖。

圖4是本發(fā)明的天線單元結構示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明以標準的單向3車道作為高速公路自由流環(huán)境下的典型應用場景，結合當前ETC系統(tǒng)衰減裕量，確定相控陣天線部分設計參數。根據《公路工程技術標準JTG B01-2014》標準規(guī)定，單個車道寬度為3.75米，三條車道跨度為11.25米。在檢測斷面設置一座凈高大于5.5米的龍門架。每條車道內車輛均沿車道中線行駛。相控陣天線安裝于中間車道中線正上方，天線法線方向的投影在中央車道中線上。

按照上述應用應用場景設計指標，參考GB/T 20851–2007《電子收費專用短程通信》,確定ETC相控陣天線技術指標如表1所示。

參見圖1所示。由于天線互易原理，發(fā)射機與接收機通過一個環(huán)形器共用天線陣。發(fā)射機與接收機負責基帶信號的DSRC通信協議控制，編碼/解碼，調制/解調，上變頻/下變頻，除此之外，還負責與波控模塊實現同步，控制相控陣天線實現多車道波束掃描。

該相控陣天線采用厚度為0.8mm(銅厚不算在內)，介電常數為2.65的聚四氟乙烯(F4B)作為介質板。天線單元為方形倒角圓極化天線，寬度為15.2mm，切角為邊長2.49mm的等邊三角形，

天線單元采用具有90°相位差的雙輻射片設計。將饋源經過等比例功分器分為兩路等幅、相位差為90°的信號。此技術可以較大程度上提升天線軸比帶寬。

基于Butler矩陣的相控陣天線，其原理如圖2所示?；贐utler矩陣的相控陣天線由三部分組成。第一部分為由射頻開關、交叉器、功分器組成的饋電網絡，用于為Butler矩陣不同端口分配不同功率和相位的信號，并在開關切換時將信號輸入到指定端口。第二部分為改進的Butler矩陣組成的波束形成網絡，用于產生所需相位的信號并輸入到指定的天線單元。第三部分為天線陣列。

為了克服傳統(tǒng)Butler矩陣存在的不足，本發(fā)明改進的Butler矩陣方案。通過合理設計，產生8路±90°和0°相位差的三路信號，以控制三個波束方向。

傳統(tǒng)方案中Butler矩陣由耦合器、固定移相器組成。在本發(fā)明方案中，由于天線設計具備3個波束指向，且為了將4路Butler矩陣擴展為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矩陣原理圖如圖3所示。

改進的Butler矩陣原理圖，首先，將四路Butler矩陣復制、翻轉放置；然后將輸入信號等分為具有180°相位差的信號，分別饋入Butler矩陣的輸入端。這樣就會產生八路具有等相位差的信號。1L為+90°相位差輸入信號，2L為-90°相位差輸入信號，3L為0°相位差輸入信號；1R為+90°相位差輸入信號(1R雖然與2L一致，但經過鏡像對折后，相位差為-90°)，2R為-90°相位差輸入信號，3R為0°相位差輸入信號。

如圖3所示，當端口1輸入時，相位差為-90°，端口2輸入時，相位差為+90°，端口3輸入時，相位差為0°。交叉器的作用是為了避免微帶線穿層。特定頻率的射頻信號，如果經端口1輸入，其能量只能由端口4輸出；端口2、3沒有能量。

交叉器的信號由端口1輸入，經過圖3的網絡后，會被分為等幅、相位差為180°的兩路信號，分別饋入Butler矩陣1、2的端口1。這樣就會產生八路具有等相位差的信號。輸入端引入交叉器，一方面，消除了另外兩路對工作路的影響；另一方面，空載的兩路不用另外加載50Ω電阻，使用一個開關便可以控制三路信號的切換，大大減少器件個數。

Butler矩陣輸入網絡，整版采用雙層板設計，大大降低了板材加工的成本。此方案開關電源可能對射頻信號干擾較大。必須對電源線進行完整的包地。采用在射頻線與電源線之間加載短路過孔的方式實現。

隔離過孔由于芯片引腳寬度為0.25mm，板材50Ω微帶線寬度為2.14mm，兩者相差過大，不能直接連接，否則會產生阻抗突變。在保證阻抗帶寬的前提下，采用兩段半波長阻抗變換線調整傳輸線阻抗，使得傳輸線在整條鏈路上阻抗匹配。

陣列天線，主要包括陣元設計及陣列天線設計兩部分。陣列天線設計得陣列間距d調整為45mm，原因是Butler矩陣只能控制90°相位差，不能生成其他的相位差。因此調整d來調整波束方向。

天線單元的設計，微帶天線首先要選擇介質板。介質板是一片具有均勻介電常數和一定厚度的電介質薄板，一面附有金屬銅箔作為地平面，另一面印刷有微帶天線。本設計中采用四層板設計。頂層與第二層為聚四氟乙烯(F4B)，介電常數ε_r為2.65，厚度h為0.8mm(銅厚不算在內)。第二層與第三層之間為粘合層，厚度為0.1mm，第三層與第四層之間介質為RO4350B，介電常數為3.48，厚度為6.6mil(銅厚不算在內)。

天線單元選用側饋方形微帶天線基礎上削去兩個面積相等、和為ΔS的等邊直角三角形，使之形成圓極化功能，并通過1/4波長微帶傳輸線與50Ω匹配。天線單元結構如圖4所示：

天線單元饋電方式：單點饋電。根據空腔模理論，采用單點側饋方式的矩形貼片天線可產生極化正交、幅度相等的2個簡并模(TM01，TM10)，但2簡并模不能形成90°的相位差。為實現簡并模間90°相位差以輻射圓極化波，需要在方形微帶天線上附加一簡并模分離單元，使簡并正交模的兩個諧振頻率產生分離，天線實際工作頻率f選在2諧振頻率之間。

天線單元的邊長L由式(2-x)得出：

切去三角形面積可由式(2-x)得出:

式中，Q為微帶天線品質因數。

二單元天線的設計，為了獲得更寬的軸比帶寬，天線單元采用具有90°相位差的雙輻射片設計。將饋源經過等比例功分器分為兩路等幅、相位差為90°的信號。此技術可以較大程度上提升天線軸比帶寬。

天線建模與仿真，通過采用CST仿真軟件進行仿真優(yōu)化，最終確定天線單元寬度為L＝15.6mm，切角為等邊直角三角形，其邊長為2.49mm，1/4波長匹配線寬度為W＝0.6mm，長度為9.2mm。電流由端口P1經過寬度為W1的傳輸線分給2段寬度為W2、長度相同的1/4波長匹配線，并各自經過一段寬度為W1的相移線，分別到達端口P2和P3。其中W1＝2.24mm，W2＝1.26mm；P2、P3端口處傳輸線寬度為W1，其特性阻抗等于方形倒角圓極化天線單元輸入阻抗，λg這保證了輸出端口處無反射；相移線L₁-L₂＝8.8mm≈λ_g/4(λ_g為傳輸線上一個波長長度)；相移線通過串接寬度W2的匹配段實現與寬度為W1的傳輸線匹配。

為降低天線軸比，本設計采用2單元加旋轉90°并加90°饋線的方式做相位補償。天線單元1相對天線單元2逆時針旋轉90°，P1為激勵源。P1分配給單元1/2的電流應達到幅度大小相等，相位單元2相對于單元1延遲90°。

在本設計中，為了獲得更寬的阻抗帶寬，天線饋電的微帶線采用圓形弧技術。由于傳統(tǒng)折線在加工過程中會在折線處突然變細，造成阻抗越變。而采用弧形線，在彎折處線寬不變，從而減小微帶線阻抗越變，提升天線阻抗帶寬，同時降低了加工難度，提高成品率。

陣列天線設計，在陣因子個數有限，天線饋電電流采用相位相同、幅度均勻分布的陣列形式情況下，為降低天線陣列的旁瓣電平，可對天線陣各單元饋電電流幅度采用道爾夫－切比雪夫分布方式，以更好的抑制副瓣電平，減少天線陣列向當前所指向車道以外的方向輻射過多能量，保證足夠的讀取距離以及車道分辨率。

功分器的建模與仿真，按照理論要求，計算出不同角度的電流幅值，采用1分8不等分功分器進行串饋分配。該方案對于指定的旁瓣電平，其第一零點波束寬度最窄；相反，對于指定的第一零點波束寬度，其旁瓣電平最低。為了控制天線尺寸，滿足性能指標，本微帶天線陣列采用水平方向8元陣的形式，陣列間距由計算求得，其中，Δφ_B為陣內相鄰單元之間的陣內相移值，θ_B為設計所需波束指向，λ為波長，d即為所求陣元間距。。

表1. 5.8GHz圓極化相控陣天線指標