刘炷　张弘　万鹏　兰敏

【摘要】 针对新一代智能交通系统（ITS）终端对天线的要求，本文提出了一种全新的微型圆极化贴片阵列天线的理念，该天线的辐射单元是基于加载缝隙的方形贴片而形成的。为了更好扩展其辐射带宽，该辐射单元使用了先进的耦合馈电方式。该天线无论是在仿真过程还是实际检测阶段都能够表现出极好的阻抗及轴比带宽。文中给出并对比了仿真和实测数据，该天线具有结构紧凑，馈电简单、圆极化特性好、易于制作等优点。

【关键词】 智能交通系统 圆极化 轴比带宽

近年来，智能传输系统（Intelligent Transportation System，ITS）是通讯技术中发展最快速的一种全新技术，由于其具有实时、准确、高效等特点，能够有效地降低车祸伤亡及运输拥塞，减小经济损失，同时有利于发展经济，降低资源消耗率，已成为世界各国交通系统研究建设的热点。如图1所示为智能交通系统基本构成，其主要由车辆、车载终端及路旁单元构成，可随时预警前方危险路况，大幅提高交通安全性、防患于未然。作为实现ITS系统的关键技术，智能通信终端的性能最准确、实时、全方位数据采集、获取及处理具有重要作用，其通信系统具有全时、全天候、稳定、可靠、高质量、大容量和自动通信等特点，系统对终端天线的极化适应性具有特殊要求。智能交通系统终端分车载及路旁单元，基于路况、使用环境及平台多样性考虑，圆极化天线更适用于具有多样性及复杂的ITS系统。基于5.8GHz车载终端公用性、尺寸及能耗等多方面考虑，ITS车载终端对天线的带宽、体积、性能及极化纯度要求极高。随着车辆各项功能的不断完善，车载无线系统的工作频段朝多样化发展，当多个车载无线终端共用同一个天线时，要求天线能够宽带工作或者多频段工作，而实现轴比的宽带或多频段特性是圆极化天线作为各车载终端共用天线的一个难题。

图1 ITS示意图

天线采用加载缝隙的方形贴片作为辐射器，计算出初值后对单元及馈电网络各部分尺寸进行优化。最后实测结果表明天线10dB阻抗带宽为9%（5.51GHz～6GHz），波束宽度（Phi=0o）为60度，3dB轴比带宽为3%（5.71GHz～5.88GHz），天线的增益在工作频段大于7.5dBi。

一、天线设计原理

1.1 天线单元

如右图2所示的是改善后天线的辐射单元结构，该单元结构采用的是加载缝隙方形贴片，并以缝隙耦合方式实现单元馈电。为改善天线的圆极化辐射性能，在方形贴片中心位置附加耦合槽，以产生额外的谐振点增加天线带宽。贴片中心槽及耦合馈电枝节各参数会影响到天线的外部电流，故其参数的确定必须要对天线整体进行进一步完善。因天线的外部电流决定了天线阻抗及方向图特性，所以首先必须计算贴片单元各部分初值，计算方法主要采用数值法，具体如下：

（1） w（贴片长度）：该贴片长度的真实数值对微带天线的带宽及辐射强度影响较大，主要是依靠计算微带天线的传输线模型的方法得到。其数值必须小于下式计算值，否则会导致高次模辐射，最终造成方向图畸变。

（2） P（切角深度，）：采用以下计算公式可以得出切角深度的初值：

上式中，ΔS表示切角面积，S表示矩形贴片面积，Q0则表示贴片的品质系数。

贴片的面积不同所产生的的扰动值也有差别，切角深度对天线的带宽具有较大的影响，在一定程度上能够改善带宽；换个角度来说，切角深度还是轴比带宽的主要影响因素。

（3） w1（耦合枝节长度）：贴片长度与切角深度二者之差即为耦合枝节长度的初值，即w-p，我们通过对三维电磁仿真软件进行优化可得出其最终值。

（4） l1（缝隙长度）：耦合枝节长度w1相对于贴片上缝隙的长度稍小，我们也可以通过优化来获取其最终值。

下表1所示为天线辐射单元的各尺寸在经过优化后的数值：

表1 优化后的辐射单元尺寸值

参数名称 w1 w2 p1 p2 d1

数值（毫米）mm 9.7 10.3 1.7 1.7 6.86

参数名称 l g1 g2 g3 g4

数值（毫米）mm 7.3 0.15 0.6 0.3 0.6

1.2 天线结构

在对单元优化的基础上，选定如图3所示的宽带馈电网络构成四单元阵列天线，单元间距a初值设定为1.5，上述各参数决定后，便可以进行仿真优化，四个辐射单元馈电相位以九十度相邻排列，采用引入九十度相位延迟线的方法产生单元间的九十度馈电相位差。为验证天线的辐射特性，依据优化结果实际加工出的天线实物如图4所示，馈电口采用SMA接头。

图3 圆极化阵列天线结构

图4 天线实物图

二、仿真及验证

为验证上述设计方法，以上一节中相关公式的计算结果作为初值，用三维电磁仿真软件ANSOFTHFSS建模对天线结构进行优化，表1为优化后各参数的最终结果，依照优化后的最终结果加工出天线实物，天线采用FR4为基板材料，其介电常数为4.0（f=5.8GHz），依据选定的板材厚度、介电常数等参数进行最终优化，得到的仿真和实测结果由图5～图7可见。天线回波损耗试验结果如图5所示，10dB阻抗带宽优于9%；图6所示为方向图结果，可得其天线3dB波束宽度（Phi=0度）为60度；图7给出天线的轴比带宽试验结果，由图易知在工作频点天线具有优异的轴比特性。仿真结果与实际结果因加工及安装过程中的不确定性产生了不可避免的误差。

图5 回波损耗对比

图6 方向图（f=5.8GHz，Phi=0o）

图7 轴比带宽特性（Phi=0o，Theta=0o）

三、总结

本文提出了一种可应用于智能交通系统（ITS）的紧凑型圆极化阵列天线，天线的辐射单元使用了一种多缝性的方形贴片，为了获得较高的阻抗特性，该单元馈电装置的设计形式是采用先进的缝隙耦合进行馈电。对中心槽位置、槽宽度进行调整可获得特定的工作频点。为验证文中所提出的圆极化天线的阻抗及辐射特性，在经过计算得到各参数初值的基础上，通过三维电磁仿真软件对其进行完善，最后采用测试实物的方式并与仿真结果进行比较，比较结果证明了天线的阻抗带宽为9%，圆极化带宽为3%，增益为7.5dBi。该阵列天线具有剖面低、易调谐等优点，适于ITS及其它同频段的系统。

参 考 文 献

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