采用口径耦合馈电的5.8GHz天线的设计

0 引言

         不停车电子计费系统(ETC)是一种用于高速公路、桥梁以及隧道等众多收费场所的全自动电子化收费系统，是解决高速公路收费口拥堵、节约高速公路用地资源及节能减排的有效手段。相比较正在使用的人工半自动收费方式，电子不停车收费技术可使车道通行能力提升3至5倍。ETc系统通过自动车辆识别系统(AVI)以及收费信息的实时在线交互来实现车辆和收费站之间的无线通信。通过车辆的RFID系统和路边收费单元之间的短距离专用通信，ETC系统可以在没有其他任何人为协作的情况下独自完成整个收费的流程。文章针对ETC系统设计了一款天线以用于其车载(OBU)单元。
        为了满足小型化、宽频带、以及圆极化的要求，文章对众多的微带天线形式进行了研究。普通的单贴片微带天线的圆极化带宽是很窄的，一般都不超过1％。使用微带天线阵技术，可以较大幅度地提高带宽，但天线的结构复杂。而对于单贴片微带天线来说，采用一些新型的馈电技术可以有效地展宽天线的圆极化带宽。如采用共面波导馈电、L型馈电、双馈或四馈技术等等，虽然带宽得到很大提高，但是结构也比较复杂。
        文章基于单贴片的圆形微带天线，设计了一款交叉口径耦合馈电的天线模型，此种馈电方式比较易于产生圆极化波，而且其阻抗匹配以及频带宽度等方面都可以获得比较理想的结果，设计出的天线模型完全可以满足小型化、宽频带以及增益等方面的要求。


1 天线结构

        为了实现宽频带的特性，本天线采用了口径耦合的馈电方式。相比于同轴线或微带线馈电，口径耦合馈电具有一些显著的优点：馈电处无需焊点，用于阻抗匹配的可调参数多；馈电结构和辐射贴片采用的基片彼此分离，可以独立地选择不同的介质材料和介质厚度，来满足馈电结构对辐射贴片的需要；通过调整耦合缝隙的长度或者微带馈线开路端的长度，可以比其他馈电方式更容易地与辐射贴片达到阻抗匹配等等。文章就是利用其馈电结构和辐射贴片的基片彼此分离的特点，采用介电常数较低、厚度较大的辐射基片来降低天线的Q值，从而达到展宽带宽的目的。此外，接地板还可以屏蔽来自馈线的寄生辐射，避免其对天线上半部分的辐射方向图产生干扰。

        所设计的天线模型如图1所示。辐射贴片采用圆形贴片，半径R=12．8毫米，贴片下面为一个厚度为2毫米的空气介质层，实际应用中，考虑到天线结构的牢固程度及抗冲击性等方面，可以考虑采用介电常数相近的泡沫等材料进行填充。空气介质层下方为一个开出十字型耦合槽的接地平面。此十字耦合槽的两臂不等长，L1长为14毫米，L2长为12毫米，长度之比约为1．17。缝隙宽WS=1mm，此数值在实际应用中可以灵活的调节，只要满足WS远小于L即可。接地平面下方为介电常数为4．4，厚度为lmm的FR4馈电基片，馈电基片下方为微带馈线，其宽度Wf=2mm，以保证馈线的输入阻抗为50欧姆左右。微带馈线与十字型耦合槽的两臂的偏置角度为45度。其开路端到中心点的距离为6毫米，以保证微带天线的输入阻抗得到良好的匹配。

        文章采用基于有限元法的Ansoft公司的HFSS软件进行仿真设计。所得到天线的S11散射参数图以及轴比图如图二和图三所示。由图二可知，天线谐振于5．8GHz,频率处，此频率点S11散射参量的最低值可以达到一33dB，说明此天线匹配良好，天线VSWR 2的阻抗带宽值约为6．9％，而轴比小于3dB的圆极化带宽约为3．8％天线的远场方向图及增益如图4所示，在边射方向上(θ=0°)的最大增益为7．6dB。

2 对于馈电结构的分析

        对于使用单个缝隙进行口径耦合的线极化贴片天线来说，Himdi提出的传输线模型已经被证实具有良好的适用性。而在文章当中，通过将十字缝隙等效成为互相垂直的两个单独的缝隙，也就是将天线等效成为两个互相正交的线极化天线，我们可以将这种方法应用在如图一所示的圆极化天线的分析当中。
十字形缝隙在贴片当中分别激励出相互正交的两个模，我们可以在微带贴片天线当中将这两种模独立地进行分析。天线的等效传输线模型如图二所示。

         如图所示，R为贴片天线的半径。RP+XP为天线的辐射阻抗。ZCP为贴片的特性阻抗。γ为传输常数。由图中可以看出，ZP是由天线的耦合缝隙决定的。而这两个缝隙各自的阻抗可以由下式给出：

         式中的z和k分别为缝隙的特性阻抗和波数。

        两个缝隙各自的总的导纳为：

        其中，nL1和nL2为贴片和缝隙之间的阻抗转化率，具体数值可以由下式给出：

        总的输入电阻的计算公式为：

        其中，Zcf、kj和t分别为微带馈线的特性阻抗和波数以及开路线的长度，n为缝隙和微带馈线之间的阻抗转换率。

        因为天线的两个谐振模是由耦合缝隙的长度决定的，因此通过适当的调节十字缝隙的长度，便可以得到理想的圆极化。不等长的缝隙可以激励出两个相近的谐振模式，为了得到圆极化，这两个模式需要幅度相近而相位相差90度。当缝隙L1的长度大于缝隙L2时，可以得到右旋的圆极化，而当缝隙L2的长度大于缝隙L1时，左旋的圆极化便可以被激励出来。


3 天线参数的经验结果分析

a)天线基片介质的选择

         根据腔模理论，微带贴片天线可等效为一漏波谐振腔，尽管有较强的辐射，但它依然是品质因数Q值较高的谐振系统。为了有效降低微带天线的品质因数Q值，必须选择介电常数较低、厚度较厚的介质，而对于馈电基片，选择较薄的基片将有效降低来自馈线的伪辐射，在本例中，由于采用了口径耦合馈电方式，因此可以针对不同的需要来分别选择。但辐射基片的介质厚度并不能太厚，否则容易在贴片天线表面激励起不必要的高次模和伪辐射，通常其最大值不能超过0．052λ。

b)耦合缝隙宽度的选择

        耦合缝隙的宽度对天线整体性能的影响较小，其值可以用来对天线的阻抗匹配进行调节。通常，当增大天线辐射基片的厚度时，也需要加大缝隙的宽度来增强耦合度。在文章的研究当中显示，天线对其数值的变化并不敏感，一般使其小于缝隙长度的十分之一即可。因此在应用当中，可以根据实际情况具体选择。如在本天线当中，进一步减小缝隙的宽度可以达到更好的匹配结果，但是考虑到实际制作的方便，便将其定为1mm。

c)馈线开路端长度的选择

        馈线开路端的长度既馈线开路端到中心点的距离。其值常用来调节口径耦合天线的电抗，为了贴片天线与馈线可以达到最优化的阻抗匹配，其值一般选择为四分之一波长即可。同时，它的数值变化也会引起天线谐振频率的轻微变化，因此在天线的设计过程当中，也可以综合考虑，在保证阻抗匹配的前提下，利用它来对天线的频率进行微调。


4 结束语

        在文章当中，针对ETC系统的OBU单元，设计了一种十字缝隙口径耦合馈电的右旋圆极化微带天线，并且对其馈电网络进行了等效模型的分析。本天线模型结构紧凑小巧，不仅可以满足设计的需要，而且可调参数众多，设计自由度比较高。通过合适的选择各项参数的数值，设计出的天线可以满足宽频带、高增益的要求。