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