采用口徑耦合饋電的5.8GHz天線的設(shè)計(jì)

0 引言
不停車電子計(jì)費(fèi)系統(tǒng)(ETC)是一種用于高速公路、橋梁以及隧道等眾多收費(fèi)場(chǎng)所的全自動(dòng)電子化收費(fèi)系統(tǒng)，是解決高速公路收費(fèi)口擁堵、節(jié)約高速公路用地資源及節(jié)能減排的有效手段。相比較正在使用的人工半自動(dòng)收費(fèi)方式，電子不停車收費(fèi)技術(shù)可使車道通行能力提升3至5倍。ETc系統(tǒng)通過自動(dòng)車輛識(shí)別系統(tǒng)(AVI)以及收費(fèi)信息的實(shí)時(shí)在線交互來實(shí)現(xiàn)車輛和收費(fèi)站之間的無線通信。通過車輛的RFID系統(tǒng)和路邊收費(fèi)單元之間的短距離專用通信，ETC系統(tǒng)可以在沒有其他任何人為協(xié)作的情況下獨(dú)自完成整個(gè)收費(fèi)的流程。文章針對(duì)ETC系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一款天線以用于其車載(OBU)單元。
為了滿足小型化、寬頻帶、以及圓極化的要求，文章對(duì)眾多的微帶天線形式進(jìn)行了研究。普通的單貼片微帶天線的圓極化帶寬是很窄的，一般都不超過1％。使用微帶天線陣技術(shù)，可以較大幅度地提高帶寬，但天線的結(jié)構(gòu)復(fù)雜。而對(duì)于單貼片微帶天線來說，采用一些新型的饋電技術(shù)可以有效地展寬天線的圓極化帶寬。如采用共面波導(dǎo)饋電、L型饋電、雙饋或四饋技術(shù)等等，雖然帶寬得到很大提高，但是結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜。
文章基于單貼片的圓形微帶天線，設(shè)計(jì)了一款交叉口徑耦合饋電的天線模型，此種饋電方式比較易于產(chǎn)生圓極化波，而且其阻抗匹配以及頻帶寬度等方面都可以獲得比較理想的結(jié)果，設(shè)計(jì)出的天線模型完全可以滿足小型化、寬頻帶以及增益等方面的要求。

1 天線結(jié)構(gòu)
為了實(shí)現(xiàn)寬頻帶的特性，本天線采用了口徑耦合的饋電方式。相比于同軸線或微帶線饋電，口徑耦合饋電具有一些顯著的優(yōu)點(diǎn)：饋電處無需焊點(diǎn)，用于阻抗匹配的可調(diào)參數(shù)多；饋電結(jié)構(gòu)和輻射貼片采用的基片彼此分離，可以獨(dú)立地選擇不同的介質(zhì)材料和介質(zhì)厚度，來滿足饋電結(jié)構(gòu)對(duì)輻射貼片的需要；通過調(diào)整耦合縫隙的長(zhǎng)度或者微帶饋線開路端的長(zhǎng)度，可以比其他饋電方式更容易地與輻射貼片達(dá)到阻抗匹配等等。文章就是利用其饋電結(jié)構(gòu)和輻射貼片的基片彼此分離的特點(diǎn)，采用介電常數(shù)較低、厚度較大的輻射基片來降低天線的Q值，從而達(dá)到展寬帶寬的目的。此外，接地板還可以屏蔽來自饋線的寄生輻射，避免其對(duì)天線上半部分的輻射方向圖產(chǎn)生干擾。

所設(shè)計(jì)的天線模型如圖1所示。輻射貼片采用圓形貼片，半徑R=12．8毫米，貼片下面為一個(gè)厚度為2毫米的空氣介質(zhì)層，實(shí)際應(yīng)用中，考慮到天線結(jié)構(gòu)的牢固程度及抗沖擊性等方面，可以考慮采用介電常數(shù)相近的泡沫等材料進(jìn)行填充。空氣介質(zhì)層下方為一個(gè)開出十字型耦合槽的接地平面。此十字耦合槽的兩臂不等長(zhǎng)，L1長(zhǎng)為14毫米，L2長(zhǎng)為12毫米，長(zhǎng)度之比約為1．17?？p隙寬WS=1mm，此數(shù)值在實(shí)際應(yīng)用中可以靈活的調(diào)節(jié)，只要滿足WS遠(yuǎn)小于L即可。接地平面下方為介電常數(shù)為4．4，厚度為lmm的FR4饋電基片，饋電基片下方為微帶饋線，其寬度Wf=2mm，以保證饋線的輸入阻抗為50歐姆左右。微帶饋線與十字型耦合槽的兩臂的偏置角度為45度。其開路端到中心點(diǎn)的距離為6毫米，以保證微帶天線的輸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軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。所得到天線的S11散射參數(shù)圖以及軸比圖如圖二和圖三所示。由圖二可知，天線諧振于5．8GHz,頻率處，此頻率點(diǎn)S11散射參量的最低值可以達(dá)到一33dB，說明此天線匹配良好，天線VSWR 2的阻抗帶寬值約為6．9％，而軸比小于3dB的圓極化帶寬約為3．8％天線的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖及增益如圖4所示，在邊射方向上(θ=0°)的最大增益為7．6dB。