0 引言

         不停車電子計費系統(ETC)是一種用于高速公路、橋梁以及隧道等眾多收費場所的全自動電子化收費系統，是解決高速公路收費口擁堵、節約高速公路用地資源及節能減排的有效手段。相比較正在使用的人工半自動收費方式，電子不停車收費技術可使車道通行能力提升3至5倍。ETc系統通過自動車輛識別系統(AVI)以及收費信息的實時在線交互來實現車輛和收費站之間的無線通信。通過車輛的RFID系統和路邊收費單元之間的短距離專用通信，ETC系統可以在沒有其他任何人為協作的情況下獨自完成整個收費的流程。文章針對ETC系統設計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，文章對眾多的微帶天線形式進行了研究。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，可以較大幅度地提高帶寬，但天線的結構復雜。而對于單貼片微帶天線來說，采用一些新型的饋電技術可以有效地展寬天線的圓極化帶寬。如采用共面波導饋電、L型饋電、雙饋或四饋技術等等，雖然帶寬得到很大提高，但是結構也比較復雜。
        文章基于單貼片的圓形微帶天線，設計了一款交叉口徑耦合饋電" title="口徑耦合饋電">口徑耦合饋電的天線模型，此種饋電方式比較易于產生圓極化波，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果，設計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 天線結構

        為了實現寬頻帶的特性，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點：饋電處無需焊點，用于阻抗匹配的可調參數多；饋電結構和輻射貼片采用的基片彼此分離，可以獨立地選擇不同的介質材料和介質厚度，來滿足饋電結構對輻射貼片的需要；通過調整耦合縫隙的長度或者微帶饋線開路端的長度，可以比其他饋電方式更容易地與輻射貼片達到阻抗匹配等等。文章就是利用其饋電結構和輻射貼片的基片彼此分離的特點，采用介電常數較低、厚度較大的輻射基片來降低天線的Q值，從而達到展寬帶寬的目的。此外，接地板還可以屏蔽來自饋線的寄生輻射，避免其對天線上半部分的輻射方向圖產生干擾。

        所設計的天線模型如圖1所示。輻射貼片采用圓形貼片，半徑R=12．8毫米，貼片下面為一個厚度為2毫米的空氣介質層，實際應用中，考慮到天線結構的牢固程度及抗沖擊性等方面，可以考慮采用介電常數相近的泡沫等材料進行填充。空氣介質層下方為一個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，L1長為14毫米，L2長為12毫米，長度之比約為1．17。縫隙寬WS=1mm，此數值在實際應用中可以靈活的調節，只要滿足WS遠小于L即可。接地平面下方為介電常數為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軟件進行仿真設計。所得到天線的S11散射參數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S11散射參量的最低值可以達到一33dB，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％天線的遠場方向圖及增益如圖4所示，在邊射方向上(θ=0°)的最大增益為7．6dB。

2 對于饋電結構的分析

        對于使用單個縫隙進行口徑耦合的線極化貼片天線來說，Himdi提出的傳輸線模型已經被證實具有良好的適用性。而在文章當中，通過將十字縫隙等效成為互相垂直的兩個單獨的縫隙，也就是將天線等效成為兩個互相正交的線極化天線，我們可以將這種方法應用在如圖一所示的圓極化天線的分析當中。
十字形縫隙在貼片當中分別激勵出相互正交的兩個模，我們可以在微帶貼片天線當中將這兩種模獨立地進行分析。天線的等效傳輸線模型如圖二所示。
 

         如圖所示，R為貼片天線的半徑。RP+XP為天線的輻射阻抗。ZCP為貼片的特性阻抗。γ為傳輸常數。由圖中可以看出，ZP是由天線的耦合縫隙決定的。而這兩個縫隙各自的阻抗可以由下式給出：

         式中的z和k分別為縫隙的特性阻抗和波數。

        兩個縫隙各自的總的導納為：

        其中，nL1和nL2為貼片和縫隙之間的阻抗轉化率，具體數值可以由下式給出：

        總的輸入電阻的計算公式為：

        其中，Zcf、kj和t分別為微帶饋線的特性阻抗和波數以及開路線的長度，n為縫隙和微帶饋線之間的阻抗轉換率。

        因為天線的兩個諧振模是由耦合縫隙的長度決定的，因此通過適當的調節十字縫隙的長度，便可以得到理想的圓極化。不等長的縫隙可以激勵出兩個相近的諧振模式，為了得到圓極化，這兩個模式需要幅度相近而相位相差90度。當縫隙L1的長度大于縫隙L2時，可以得到右旋的圓極化，而當縫隙L2的長度大于縫隙L1時，左旋的圓極化便可以被激勵出來。


3 天線參數的經驗結果分析

a)天線基片介質的選擇

         根據腔模理論，微帶貼片天線可等效為一漏波諧振腔，盡管有較強的輻射，但它依然是品質因數Q值較高的諧振系統。為了有效降低微帶天線的品質因數Q值，必須選擇介電常數較低、厚度較厚的介質，而對于饋電基片，選擇較薄的基片將有效降低來自饋線的偽輻射，在本例中，由于采用了口徑耦合饋電方式，因此可以針對不同的需要來分別選擇。但輻射基片的介質厚度并不能太厚，否則容易在貼片天線表面激勵起不必要的高次模和偽輻射，通常其最大值不能超過0．052λ。

b)耦合縫隙寬度的選擇

        耦合縫隙的寬度對天線整體性能的影響較小，其值可以用來對天線的阻抗匹配進行調節。通常，當增大天線輻射基片的厚度時，也需要加大縫隙的寬度來增強耦合度。在文章的研究當中顯示，天線對其數值的變化并不敏感，一般使其小于縫隙長度的十分之一即可。因此在應用當中，可以根據實際情況具體選擇。如在本天線當中，進一步減小縫隙的寬度可以達到更好的匹配結果，但是考慮到實際制作的方便，便將其定為1mm。

c)饋線開路端長度的選擇

        饋線開路端的長度既饋線開路端到中心點的距離。其值常用來調節口徑耦合天線的電抗，為了貼片天線與饋線可以達到最優化的阻抗匹配，其值一般選擇為四分之一波長即可。同時，它的數值變化也會引起天線諧振頻率的輕微變化，因此在天線的設計過程當中，也可以綜合考慮，在保證阻抗匹配的前提下，利用它來對天線的頻率進行微調。


4 結束語

        在文章當中，針對ETC系統的OBU單元，設計了一種十字縫隙口徑耦合饋電的右旋圓極化微帶天線，并且對其饋電網絡進行了等效模型的分析。本天線模型結構緊湊小巧，不僅可以滿足設計的需要，而且可調參數眾多，設計自由度比較高。通過合適的選擇各項參數的數值，設計出的天線可以滿足寬頻帶、高增益的要求。