一種新型ITS系統天線分析與設計

劉炷　張弘　萬鵬　蘭敏

【摘要】 針對新一代智能交通系統（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據，該天線具有結構緊湊，饋電簡單、圓極化特性好、易于制作等優點。

【關鍵詞】 智能交通系統 圓極化 軸比帶寬

近年來，智能傳輸系統（Intelligent Transportation System，ITS）是通訊技術中發展最快速的一種全新技術，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，減小經濟損失，同時有利于發展經濟，降低資源消耗率，已成為世界各國交通系統研究建設的熱點。如圖1所示為智能交通系統基本構成，其主要由車輛、車載終端及路旁單元構成，可隨時預警前方危險路況，大幅提高交通安全性、防患于未然。作為實現ITS系統的關鍵技術，智能通信終端的性能最準確、實時、全方位數據采集、獲取及處理具有重要作用，其通信系統具有全時、全天候、穩定、可靠、高質量、大容量和自動通信等特點，系統對終端天線的極化適應性具有特殊要求。智能交通系統終端分車載及路旁單元，基于路況、使用環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雜的ITS系統。基于5.8GHz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，車載無線系統的工作頻段朝多樣化發展，當多個車載無線終端共用同一個天線時，要求天線能夠寬帶工作或者多頻段工作，而實現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絡各部分尺寸進行優化。最后實測結果表明天線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構，該單元結構采用的是加載縫隙方形貼片，并以縫隙耦合方式實現單元饋電。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各參數會影響到天線的外部電流，故其參數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值法，具體如下：

（1） w（貼片長度）：該貼片長度的真實數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。其數值必須小于下式計算值，否則會導致高次模輻射，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則表示貼片的品質系數。

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

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

下表1所示為天線輻射單元的各尺寸在經過優化后的數值：

表1 優化后的輻射單元尺寸值

參數名稱 w1 w2 p1 p2 d1

數值（毫米）mm 9.7 10.3 1.7 1.7 6.86

參數名稱 l g1 g2 g3 g4

數值（毫米）mm 7.3 0.15 0.6 0.3 0.6

1.2 天線結構

在對單元優化的基礎上，選定如圖3所示的寬帶饋電網絡構成四單元陣列天線，單元間距a初值設定為1.5，上述各參數決定后，便可以進行仿真優化，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，依據優化結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 圓極化陣列天線結構

圖4 天線實物圖

二、仿真及驗證

為驗證上述設計方法，以上一節中相關公式的計算結果作為初值，用三維電磁仿真軟件ANSOFTHFSS建模對天線結構進行優化，表1為優化后各參數的最終結果，依照優化后的最終結果加工出天線實物，天線采用FR4為基板材料，其介電常數為4.0（f=5.8GHz），依據選定的板材厚度、介電常數等參數進行最終優化，得到的仿真和實測結果由圖5～圖7可見。天線回波損耗試驗結果如圖5所示，10dB阻抗帶寬優于9%；圖6所示為方向圖結果，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果，由圖易知在工作頻點天線具有優異的軸比特性。仿真結果與實際結果因加工及安裝過程中的不確定性產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

本文提出了一種可應用于智能交通系統（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，在經過計算得到各參數初值的基礎上，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果進行比較，比較結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、易調諧等優點，適于ITS及其它同頻段的系統。

參 考 文 獻

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