劉炷　張弘　萬鵬　蘭敏

【摘要】 針對新一代智能交通系統(tǒng)（ITS）終端對天線的要求，本文提出了一種全新的微型圓極化貼片陣列天線的理念，該天線的輻射單元是基于加載縫隙的方形貼片而形成的。為了更好擴展其輻射帶寬，該輻射單元使用了先進的耦合饋電方式。該天線無論是在仿真過程還是實際檢測階段都能夠表現(xiàn)出極好的阻抗及軸比帶寬。文中給出并對比了仿真和實測數(shù)據(jù)，該天線具有結(jié)構(gòu)緊湊，饋電簡單、圓極化特性好、易于制作等優(yōu)點。

【關(guān)鍵詞】 智能交通系統(tǒng) 圓極化 軸比帶寬

近年來，智能傳輸系統(tǒng)（Intelligent Transportation System，ITS）是通訊技術(shù)中發(fā)展最快速的一種全新技術(shù)，由于其具有實時、準確、高效等特點，能夠有效地降低車禍傷亡及運輸擁塞，減小經(jīng)濟損失，同時有利于發(fā)展經(jīng)濟，降低資源消耗率，已成為世界各國交通系統(tǒng)研究建設(shè)的熱點。如圖1所示為智能交通系統(tǒng)基本構(gòu)成，其主要由車輛、車載終端及路旁單元構(gòu)成，可隨時預(yù)警前方危險路況，大幅提高交通安全性、防患于未然。作為實現(xiàn)ITS系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，智能通信終端的性能最準確、實時、全方位數(shù)據(jù)采集、獲取及處理具有重要作用，其通信系統(tǒng)具有全時、全天候、穩(wěn)定、可靠、高質(zhì)量、大容量和自動通信等特點，系統(tǒng)對終端天線的極化適應(yīng)性具有特殊要求。智能交通系統(tǒng)終端分車載及路旁單元，基于路況、使用環(huán)境及平臺多樣性考慮，圓極化天線更適用于具有多樣性及復(fù)雜的ITS系統(tǒng)?；?.8GHz車載終端公用性、尺寸及能耗等多方面考慮，ITS車載終端對天線的帶寬、體積、性能及極化純度要求極高。隨著車輛各項功能的不斷完善，車載無線系統(tǒng)的工作頻段朝多樣化發(fā)展，當(dāng)多個車載無線終端共用同一個天線時，要求天線能夠?qū)拵Чぷ骰蛘叨囝l段工作，而實現(xiàn)軸比的寬帶或多頻段特性是圓極化天線作為各車載終端共用天線的一個難題。

圖1 ITS示意圖

天線采用加載縫隙的方形貼片作為輻射器，計算出初值后對單元及饋電網(wǎng)絡(luò)各部分尺寸進行優(yōu)化。最后實測結(jié)果表明天線10dB阻抗帶寬為9%（5.51GHz～6GHz），波束寬度（Phi=0o）為60度，3dB軸比帶寬為3%（5.71GHz～5.88GHz），天線的增益在工作頻段大于7.5dBi。

一、天線設(shè)計原理

1.1 天線單元

如右圖2所示的是改善后天線的輻射單元結(jié)構(gòu)，該單元結(jié)構(gòu)采用的是加載縫隙方形貼片，并以縫隙耦合方式實現(xiàn)單元饋電。為改善天線的圓極化輻射性能，在方形貼片中心位置附加耦合槽，以產(chǎn)生額外的諧振點增加天線帶寬。貼片中心槽及耦合饋電枝節(jié)各參數(shù)會影響到天線的外部電流，故其參數(shù)的確定必須要對天線整體進行進一步完善。因天線的外部電流決定了天線阻抗及方向圖特性，所以首先必須計算貼片單元各部分初值，計算方法主要采用數(shù)值法，具體如下：

（1） w（貼片長度）：該貼片長度的真實數(shù)值對微帶天線的帶寬及輻射強度影響較大，主要是依靠計算微帶天線的傳輸線模型的方法得到。其數(shù)值必須小于下式計算值，否則會導(dǎo)致高次模輻射，最終造成方向圖畸變。

（2） P（切角深度，）：采用以下計算公式可以得出切角深度的初值：

上式中，ΔS表示切角面積，S表示矩形貼片面積，Q0則表示貼片的品質(zhì)系數(shù)。

貼片的面積不同所產(chǎn)生的的擾動值也有差別，切角深度對天線的帶寬具有較大的影響，在一定程度上能夠改善帶寬；換個角度來說，切角深度還是軸比帶寬的主要影響因素。

（3） w1（耦合枝節(jié)長度）：貼片長度與切角深度二者之差即為耦合枝節(jié)長度的初值，即w-p，我們通過對三維電磁仿真軟件進行優(yōu)化可得出其最終值。

（4） l1（縫隙長度）：耦合枝節(jié)長度w1相對于貼片上縫隙的長度稍小，我們也可以通過優(yōu)化來獲取其最終值。

下表1所示為天線輻射單元的各尺寸在經(jīng)過優(yōu)化后的數(shù)值：

表1 優(yōu)化后的輻射單元尺寸值

參數(shù)名稱 w1 w2 p1 p2 d1

數(shù)值（毫米）mm 9.7 10.3 1.7 1.7 6.86

參數(shù)名稱 l g1 g2 g3 g4

數(shù)值（毫米）mm 7.3 0.15 0.6 0.3 0.6

1.2 天線結(jié)構(gòu)

在對單元優(yōu)化的基礎(chǔ)上，選定如圖3所示的寬帶饋電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成四單元陣列天線，單元間距a初值設(shè)定為1.5，上述各參數(shù)決定后，便可以進行仿真優(yōu)化，四個輻射單元饋電相位以九十度相鄰排列，采用引入九十度相位延遲線的方法產(chǎn)生單元間的九十度饋電相位差。為驗證天線的輻射特性，依據(jù)優(yōu)化結(jié)果實際加工出的天線實物如圖4所示，饋電口采用SMA接頭。

圖3 圓極化陣列天線結(jié)構(gòu)

圖4 天線實物圖

二、仿真及驗證

為驗證上述設(shè)計方法，以上一節(jié)中相關(guān)公式的計算結(jié)果作為初值，用三維電磁仿真軟件ANSOFTHFSS建模對天線結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，表1為優(yōu)化后各參數(shù)的最終結(jié)果，依照優(yōu)化后的最終結(jié)果加工出天線實物，天線采用FR4為基板材料，其介電常數(shù)為4.0（f=5.8GHz），依據(jù)選定的板材厚度、介電常數(shù)等參數(shù)進行最終優(yōu)化，得到的仿真和實測結(jié)果由圖5～圖7可見。天線回波損耗試驗結(jié)果如圖5所示，10dB阻抗帶寬優(yōu)于9%；圖6所示為方向圖結(jié)果，可得其天線3dB波束寬度（Phi=0度）為60度；圖7給出天線的軸比帶寬試驗結(jié)果，由圖易知在工作頻點天線具有優(yōu)異的軸比特性。仿真結(jié)果與實際結(jié)果因加工及安裝過程中的不確定性產(chǎn)生了不可避免的誤差。

圖5 回波損耗對比

圖6 方向圖（f=5.8GHz，Phi=0o）

圖7 軸比帶寬特性（Phi=0o，Theta=0o）

三、總結(jié)

本文提出了一種可應(yīng)用于智能交通系統(tǒng)（ITS）的緊湊型圓極化陣列天線，天線的輻射單元使用了一種多縫性的方形貼片，為了獲得較高的阻抗特性，該單元饋電裝置的設(shè)計形式是采用先進的縫隙耦合進行饋電。對中心槽位置、槽寬度進行調(diào)整可獲得特定的工作頻點。為驗證文中所提出的圓極化天線的阻抗及輻射特性，在經(jīng)過計算得到各參數(shù)初值的基礎(chǔ)上，通過三維電磁仿真軟件對其進行完善，最后采用測試實物的方式并與仿真結(jié)果進行比較，比較結(jié)果證明了天線的阻抗帶寬為9%，圓極化帶寬為3%，增益為7.5dBi。該陣列天線具有剖面低、易調(diào)諧等優(yōu)點，適于ITS及其它同頻段的系統(tǒng)。

參 考 文 獻

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