一种用于专用短程通信的5.8 GHz微带天线阵列

黄 峥，张劲松

（1.武汉邮电科学研究院湖北武汉430074；2.武汉长江通信智联技术有限公司湖北武汉430074）

一种用于专用短程通信的5.8 GHz微带天线阵列

黄 峥1，张劲松2

（1.武汉邮电科学研究院湖北武汉430074；2.武汉长江通信智联技术有限公司湖北武汉430074）

本文针对目前在智能交通领域受到高度关注的短程通信技术（DSRC：Dedicated Short Range Communications），提出一种用于DSRC的16单元微带天线阵列，其主要用于ETC、智能停车场等系统中的路侧单元（RSU：Road Side Unit）；针对传统平面阵列天线圆极化轴比带宽窄的缺点，采用连续旋转馈电技术的方法来改善其轴比带宽，通过HFSS软件对设计方案进行电磁仿真，得到预期的结果。最后对样品测试发现其相对于传统阵列，轴比带宽提高了3倍以上。

专用短程通信；微带天线；右手圆极化；路侧单元；HFSS

随着中国私家车保有量的不断提高，道路拥堵、交通安全、泊车困难是目前交通管理的三大难题。近年来，世界范围内的智能交通研发热潮推动了交通行业的推陈革新，现代交通将逐渐向更加高效、安全、环保的方向发展[1-2]。移动互联网技术的迅猛发展为交通技术的革新提供了机遇，智能交通已广泛利用无线通信技术实现数据共享，形成了以智能车辆、智能道路、智能终端为主流的发展方向[3-5]。因此，为车车、车路建立一个低延迟、质量可靠、抗干扰能力强的无线通信环境就显得十分必要。由于DSRC技术在延迟、移动性、通信距离方面有着无可替代的优势，特别适用于车辆安全应用。目前全球范围内的大多车路协同项目的研究，比如已经广泛应用的ETC、智能停车场等系统中，均采用DSRC技术建立车辆网络[6-10]，而天线是实现该项技术的关键元件，文中提出一种应用于DSRC系统的高定向圆极化微带天线阵列，采取Ansoft HFSS软件对所需天线进行仿真可以直观地看到天线的参数，提高设计效率，进而更快更精准地得到符合目标需求的方案。

1 天线设计

微带天线是一种低轮廓、低增益、窄频带的天线，能够满足装载于飞机和各种车辆的空气动力学要求。它的辐射可视作贴片与接地板之间左右两条窄缝隙的辐射，所以其本质上可以视作为一种特殊的缝隙天线[11-12]。

1.1 圆极化实现

目前微带天线单元实现圆极化的方法本质上是使贴片两端缝隙产生相差90°正交辐射波，主流方法有两种:一种采用单馈电扰动法，使用切角、切缝等方式来差异两个缝隙波的相位，如此可以使天线采用较为简单的供电网络就实现圆极化，但是阻抗带宽和轴比带宽相对较窄；正交馈电技术则通过电路设计来调整两个馈电点的相位来使他们相差为90°以实现圆极化[13]。但是由于馈电电路本身也具有一定的辐射特性而导致天线交叉极化不对称，因而较难实现真正的圆极化，而且往往会有较复杂的馈电网络，难以与射频模块集成，体积庞大，成本高昂等缺点。本文采用同步子阵列的方式来实现，可以在满足极化特性的条件下，使天线结构简单，体积和成本都较小。

1.2 天线单元设计

文中的设计思路是先使用扰动法设计天线单元，如图1所示。

图1 天线单元

矩形微带天线尺寸由下列公式所确定:

式中a为天线长度，b为宽度，f0为天线工作中心频率，c为光速，εr为介质板的介电常数，εe为等效介电常数，由下式确定:

其中h为介质板厚度[14]。

介质板厚度h=0.8 mm，介电常数ε=2.65，正切损耗角 tanδ=0.003，a=15.3 mm，c=1.3mm，天线单元仿真结果如图2所示，图中5.8 GHz处S11=-40.13 dB，AX（Axial Ratio）=5.77 dB＞2 dB，下一步将通过顺序旋转的方法来改善天线轴比。

图2 天线单元的S11及轴比曲线

2 天线阵列的设计

2.1 依次旋转馈电技术的理论分析

依次旋转馈电技术可以高效地改善天线阵的轴比。下面从圆极化天线的理论出发，对比不同阵列类型对圆极化特性的差异。图3给出了3种类型的二元天线阵。定义阵元都是左旋圆极化天线，通过理论计算来对比三种类型天线的电场区别。在图3中，下排两行依次为阵元轴比优秀和糟糕的电场原理图[15-16]。选取总电场矢量与Y轴的夹角为δ。

图3 圆极化天线工作原理

对于图3中a类阵列，总电场的幅度和相位为:

对于图3中的b类阵列，总电场的幅度和相位为:

对于图3中的顺序旋转馈电的阵列形式c，总电场的幅度和相位为:

由以上计算我们发现，在阵元轴比优秀的情况下，3种类型阵列继承了阵元的特性，保持着良好的圆极化特性，但是传统的b类型阵的增益对比a和c低3 dB.结合上述分析，依次旋转馈电技术的规律如下:1）通过旋转的方式来使单元之间形成90°相差来改善阵列的圆极化特性，如果单元2相对于单元1的旋转方向与极化方向相同，通过调整馈线长度，单元2输入端的相位需要滞后单元1输入端相应的相位角度，反之则需要超前相应的相位角度；2）在对阵元进行旋转的同时必须根据旋转方向与极化方向的关系来对阵元做相应的相位补偿，否则不仅无法提高轴比，还会降低增益。

一般情况下，在使用依次旋转馈电技术时，设计的天线的阵元与组成的阵列应当同时满足右旋/左旋条件才能达到改善轴比特性的目的，而且工作作用下，其阵列的轴比带宽也远大于普通阵列。

2.2 馈电网络设计

如图4所示2x2圆极化天线子阵及其馈电网络，采用依次旋转技术，将4个单元依次旋转90°，同时调整馈线长度，依次增加的馈线长度为λe/4（λe为5.8 GHz电磁波等效波长）作相位补偿来保证相位一致，阵元间距取 38.8 mm（约为 0.75λ0，λ0为 5.8 GHz电磁波在自由空间的波长），整个馈电网络由3个一分二等功分功分器来构成，以保证4个阵元等幅馈电，并且通过λ/4阻抗匹配器来实现阻抗匹配。

图4 四单元圆极化天线子阵

3 最终设计与实验结果

基于上文2x2天线子阵的设计思路，将每个子阵视作一个简单阵元，依旧采用依次旋转技术来提高整个阵列的圆极化特性，最终组成一个16元的天线阵列，其实物加工样品图5所示。

用E5071C网络分析仪对该天线阵的驻波曲线进行了测量，测量结果图如图6所示。在天线的工作频带5.79～5.84 GHz范围内，其电压驻波比均低于1.65，实际的驻波比低于2 dB带宽大于1.5 GHz，满足通信系统的需求。

图5 圆极化天线阵列实物图

在微波暗室对进行测试，在远场条件下，对天线的增益、方向图、轴比等参数进行了测量，得到的具体参数如下表1所示。天线在工作频点的3 dB波束宽度为20°左右，表明了天线具有良好的方向性，轴比最大点为1.27 dB且增益均大于18 dB，表明了天线的圆极化特性相对于单元有了极大的改善，实验结果符合了初始的设想。

表1 天线阵列相关测试结果

4 结束语

本文介绍了一种用于智能交通通信系统的高增益圆极化微带天线阵的设计方法。从测试结果来看，在中心频率5.80GHz，设计的16单元圆极化阵列有着良好的圆极化特性，并且实现了定向的高增益，较宽的轴比带宽，相对低廉的成本，可以广泛应用于DSRC技术当中，对于智能交通的发展应用有重大的意义。

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A 5.8GHz microstrip antenna array for dedicated short range communication

HUANG Zheng1，ZHANG Jin-song2
（1.Wuhan Research Institute of Post&Telecommunications，Wuhan430074，China；2.Wuhan YCIG iLink Technology Co.，Ltd，Wuhan430074，China）

In this paper，a 16-element microstrip antenna array for DSRC is proposed for DSRC（Dedicated Short Range Communications）.It is mainly used in ETC，intelligent parking lot and other systems.（RSU:Road Side Unit）.In order to improve the axial bandwidth of the conventional planar array antenna，the circular polarization axis is narrower than that of the conventional planar array antenna.The design scheme is simulated by HFSS software，To obtain the desired results.The results show that the axial bandwidth is more than 3 times higher than that of the conventional array.

DSRC；microstrip antenna；right hand circular polarization；road side unit；HFSS

TN15

A

1674-6236（2017）23-0101-04

2016-11-02稿件编号：201611011

黄峥（1989—），男，湖北红安人，硕士研究生。研究方向：微波与电磁场技术应用。