CN102136629B - 一种微带天线能量分布控制方法及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微带天线能量分布控制方法及控制系统，以解决现有RSU天线的设计导致不同OBU的唤醒和交易距离差异很大的问题。所述方法包括：确定实际所需的天线功率分布及天线辐射主方向；根据所述天线辐射功率分布及天线辐射主方向仿真得到天线方向图；根据仿真得到的天线方向图计算天线功率分布，并与实际所需的天线功率分布进行比较，如果符合预置要求，则得到实际所需的天线；如果不符合预置要求，则重新仿真天线方向图，直到符合预置要求。本发明能保证设计出来的天线其辐射能量的分布控制在实际所需的固定范围内，而且缩短了不同灵敏度的OBU的唤醒和交易距离差异，既满足RSU与OBU的通信所需，同时还能而抑制车辆临道的干扰。

Description

一种微带天线能量分布控制方法及控制系统

技术领域

本发明涉及微波通信技术，特别是涉及一种微带天线能量分布控制方法及控制系统。 

背景技术

微带天线是在有金属接地板的介质基片上沉积或贴附所需形状金属条、片构成的微波天线。微带天线具有小型化、易集成、方向性好等优点，因此其应用前景广阔。例如，将微带天线应用到ETC(Electronic Toll Collection，电子不停车收费)系统中。 

ETC系统主要包括路侧单元和车载单元。路侧单元(Road-Side Units，简称RSU)由微带天线和读写控制器组成，其中，微带天线是一个微波收发模块，用于信号和数据的接收/发送、调制/解调、编码/解码、加密/解密；读写控制器是控制发射和接收数据以及处理向上位机收发信息的模块。车载单元主要包括车载电子标签(On-Board Units，简称OBU)，是基于DSRC短程无线通讯国家标准研发的ETC系统关键车载设备，它的作用是接收入口站RSU写入的入口站信息，在出口站将收到的入口站信息发送给出口站RSU，并根据入口站信息计算收费额，并由出口站RSU对车载单元按照金融交易安全规范进行扣款，安全快速完成整个交易。 

在实际应用中，不同OBU的唤醒和交易的灵敏度都有所不同，而目前RSU天线的设计只依据了ETC国家标准中的3dB角度要求，这样设计出来的RSU天线在同样的功率下，由于不同的OBU在灵敏度上存在差异，导致不同OBU的唤醒和交易距离(也称为通信区域)有很大不同，进而对ETC的实际应用产生不利影响。 

例如，当RSU天线的发射功率调整到适合灵敏度高的OBU时，灵敏度低的OBU的唤醒和交易距离就会很短，导致交易失败率很高；当RSU天线的发射功率调整到适合灵敏度低的OBU时，灵敏度高的OBU的唤醒和交易距离就会很大，导致有可能出现临道干扰，甚至是交易了后车而放走前车。 这样，就导致实际调试ETC天线时非常困难，而且导致ETC应用时的通车率降低，使得ETC的实用性大大降低。 

发明内容

本发明提供一种微带天线能量分布控制方法及控制系统，以解决现有RSU天线的设计导致不同OBU的唤醒和交易距离差异很大的问题。 

为了解决上述问题，本发明公开了一种微带天线能量分布控制方法，包括： 

确定实际所需的天线功率分布及天线辐射主方向； 

根据所述天线辐射功率分布及天线辐射主方向仿真得到天线方向图； 

根据仿真得到的天线方向图计算天线功率分布，并与实际所需的天线功率分布进行比较，如果符合预置要求，则得到实际所需的天线；如果不符合预置要求，则重新仿真天线方向图，直到符合预置要求；其中所述符合预置要求包括：如果二者的误差在预置的合理范围之内，则认为符合要求，此时仿真得到的天线即为实际所需的天线；但如果二者的误差不在预置的合理范围之内，则认为本次仿真得到的天线还不符合要求。 

优选的，所述根据所述天线功率分布及天线辐射主方向仿真得到天线方向图，包括：根据所述天线功率分布及天线辐射主方向确定天线方向图函数；对所述天线方向图函数进行变换得到天线平面上的场分布函数；根据所述场分布函数进行采样，得到采样的天线单元的能量强度和相位分布；利用所述采样的天线单元的能量强度和相位分布，对由天线单元组成的天线阵列进行仿真得到天线方向图。 

优选的，所述重新仿真天线方向图包括：调整天线方向图函数；对调整后的天线方向图函数进行变换得到天线平面上的场分布函数；根据所述场分布函数进行采样，得到采样的天线单元的能量强度和相位分布；利用所述采样的天线单元的能量强度和相位分布，对由天线单元组成的天线阵列进行仿真得到天线方向图。 

优选的，如果符合预置要求，还包括：对得到的天线阵列进行优化，得 到实际所需的天线。 

优选的，所述优化包括：减少天线单元的数量；和/或，减小天线阵列的面积。 

本发明还提供了一种微带天线能量分布控制系统，包括： 

需求确定模块，用于确定实际所需的天线功率分布及天线辐射主方向； 

方向图计算模块，用于根据所述天线辐射功率分布及天线辐射主方向仿真得到天线方向图； 

功率分布计算模块，用于根据仿真得到的天线方向图计算天线功率分布； 

比较模块，用于将功率分布计算模块得到的天线功率分布与实际所需的天线功率分布进行比较，如果符合预置要求，则得到实际所需的天线；如果不符合预置要求，则触发方向图计算模块重新仿真天线方向图，直到符合预置要求其中所述符合预置要求包括：如果二者的误差在预置的合理范围之内，则认为符合要求，此时仿真得到的天线即为实际所需的天线；但如果二者的误差不在预置的合理范围之内，则认为本次仿真得到的天线还不符合要求。 

优选的，所述方向图计算模块包括： 

方向图函数计算子模块，用于根据所述天线功率分布及天线辐射主方向确定天线方向图函数； 

变换子模块，用于对所述天线方向图函数进行变换得到天线平面上的场分布函数； 

采样子模块，用于根据所述场分布函数进行采样，得到采样的天线单元的能量强度和相位分布； 

仿真子模块，用于利用所述采样的天线单元的能量强度和相位分布，对由天线单元组成的天线阵列进行仿真得到天线方向图。 

优选的，所述方向图函数计算子模块还用于调整天线方向图函数；所述变换子模块还用于对调整后的天线方向图函数进行变换得到天线平面上的场分布函数；所述采样子模块还用于根据所述场分布函数进行采样，得到采样的天线单元的能量强度和相位分布；所述仿真子模块还用于利用所述采样的天线单元的能量强度和相位分布，对由天线单元组成的天线阵列进行仿真 得到天线方向图。 

优选的，所述系统还包括：优化模块，用于对得到的天线阵列进行优化，得到实际所需的天线。 

优选的，所述优化模块通过减少天线单元的数量，和/或减小天线阵列的面积，来优化天线阵列。 

与现有技术相比，本发明具有以下优点： 

首先，本发明与现有的基于ETC国家标准中3dB角度范围的设计方法完全不同，本发明是基于既定要求的功率分布逆向设计，从而确定能够辐射出这种功率分布的微带天线。这样，就能保证设计出来的天线其辐射能量的分布控制在实际所需的固定范围内，而且缩短了不同灵敏度的OBU的唤醒和交易距离差异，既满足RSU与OBU的通信所需，保证交易成功率，同时在此通信区域固定范围之外的能量又足够小，从而抑制车辆临道的干扰。 

其次，本发明不仅可以应用于现有的具有固定ETC通道的自动收费站，还可以应用到具有多通道自由流的自动收费过程中。 

附图说明

图1是现有技术实施例中RSU天线的辐射功率分布示意图； 

图2是本发明实施例中RSU天线的辐射功率分布示意图； 

图3是本发明实施例所述一种微带天线能量分布控制方法的流程图； 

图4是本发明另一优选实施例所述一种微带天线能量分布控制方法的流程图； 

图5是本发明实施例所述一种微带天线能量分布控制系统的结构图。 

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。 

本发明基于波束赋形技术，提出一种微带天线能量分布控制方法，该方法与现有技术的基于ETC国家标准中3dB角度范围的设计方法完全不同，可以基于实际需要的功率分布逆向设计，从而确定能够辐射出这种功率分布的微带天线。其中，所述波束赋形是指通过调整阵列天线各阵元的激励，来使天线波束方向图形状变为指定的波束形状。 

举例说明，现有技术的微带天线设计中，在-40dBm到-50dBm的时候天 

针对上述图1和图2需要说明的是，每个椭圆表示的通信区域的中心点(即辐射中心)在图中并不重叠，但在实际应用中是重叠在一起的，图示仅仅是为了便于比较不同的通信区域范围而将各椭圆相切于一点，所以各椭圆的中心点并不重合。 

本发明所述方法可以按照图2所示要求确定微带天线，并适应不同灵敏度的OBU，下面通过实施例进行详细说明。 

参照图3，是本发明实施例所述一种微带天线能量分布控制方法的流程图。 

步骤301，确定实际所需的天线功率分布及天线辐射主方向； 

所述天线功率分布是指天线辐射能量的分布范围，可如图2所示-40dBm和-50dBm的OBU的通信区域。天线可向一定方向辐射电磁波，该方向即为天线辐射主方向。天线辐射功率分布及天线辐射主方向这些信息可以根据不同的实际应用需求而自行确定。 

步骤302，根据所述天线功率分布及天线辐射主方向仿真得到天线方向图； 

天线方向图是指在无线电通信中，以天线为中心，表示场强对方位角变化的极性图形。天线方向图可用于描述天线向一定方向辐射电磁波的能力，通常将天线远区辐射场的振幅与方向间的关系用曲线表示为天线方向图。 

根据天线原理，得到天线方向图的方法有多种，如本领域技术人员熟知的时域有限差分法、有限元法等，本实施例在此不再详述。 

步骤303，根据仿真得到的天线方向图计算天线功率分布，并与实际所需的天线功率分布进行比较； 

如果符合预置要求，则得到实际所需的天线；如果不符合预置要求，则返回步骤302重新仿真天线方向图，直到符合预置要求。 

其中，根据天线方向图计算天线功率分布是步骤302的逆过程，为本领域技术人员所熟知的计算过程，在此不再详述。 

将通过仿真和计算得到的天线功率分布与步骤301确定的实际所需的天线功率分布进行对比，如果二者的误差在预置的合理范围之内，则认为符合要求，此时仿真得到的天线即为实际所需的天线；但如果二者的误差不在预置的合理范围之内，则认为本次仿真得到的天线还不符合要求，还需要返回步骤302重新进行仿真。在重新仿真的过程中，可根据上一次的仿真结果进行优化，从而得到更加符合实际要求的天线方向图。 

通过以上流程可知，本发明是先确定实际所需的天线功率分布及天线辐射主方向，然后再根据这种既定的设计要求重复仿真天线方向图，直到仿真得到的天线方向图满足实际要求为止。通过这种方法确定的微带天线，其辐射能量的分布可以控制在实际所需的固定范围内，而且缩短了不同灵敏度的OBU的唤醒和交易距离差异。如图2所示，-40dBm的OBU的通信区域与图1相比变化不大，但-50dBm的OBU的通信区域与图1相比大大缩小，因此-40dBm与-50dBm的OBU的唤醒和交易距离差异被大大缩小。这样，既可以满足RSU与不同OBU的通信所需，保证交易成功率，同时在此通信区域固定范围之外的能量又足够小，从而抑制车辆临道的干扰。 

基于上述内容，本发明还提供了一种更加详细、优化的实现方法，具体可参见图4所示流程。 

参照图4，是本发明另一优选实施例所述一种微带天线能量分布控制方法的流程图。 

步骤401，确定实际所需的天线功率分布及天线辐射主方向； 

确定实际所需的天线功率分布，假设如图2所示，-40dBm区域为一个 长7m宽3m的椭圆，-50dBm区域为一个长8m宽3.3m的椭圆区域。 

确定天线的辐射主方向，也就是确定天线平面，假定如上图2所示，中心点区域为天线正对方向。 

此外，为了抑制车辆临道的干扰，还可以对除辐射主方向之外的其他方向设定天线功率分布小于-50dBm。 

本优选实施例提供了一种根据所述天线辐射功率分布及天线辐射主方向仿真得到天线方向图的方法，下面通过步骤402～405进行详细说明： 

步骤402，根据所述天线功率分布及天线辐射主方向确定天线方向图函数； 

即通过数学模型来构建对应天线方向图的天线方向图函数，例如可采用函数差值方法。该天线方向图函数并不唯一，因为使用的数学模型不同，构建出来的天线方向图函数也不一样，因此不一一列举。 

步骤403，对所述天线方向图函数进行变换得到天线平面上的场分布函数； 

所述变换可以是傅里叶变换，当然也可以采用其他的数学变换。 

步骤404，根据所述场分布函数进行采样，得到采样的天线单元的能量强度和相位分布； 

得到天线平面上的场分布函数之后，对该场分布进行采样，就可以得到每个采样点的能量强度和相位分布。所述每个采样点即为一个微带天线单元，由若干微带天线单元可构成具有固定波束或扫描波束的微带天线阵列。其中，所述能量强度即指微带天线的辐射功率强度，所述相位分布即指微带天线的辐射角度，这些信息可以根据场分布函数直接读取得到。 

步骤405，利用所述采样的天线单元的能量强度和相位分布，对由天线单元组成的天线阵列进行仿真得到天线方向图； 

根据各天线单元的能量强度和相位分布得到天线阵列的天线方向图，也为本领域技术人员所熟知的计算，例如，可采用上述的时域有限差分法、有限元法等，在此不再详述。 

步骤406，根据仿真得到的天线方向图计算天线功率分布，并与实际所 需的天线功率分布进行比较； 

如果符合预置要求，则继续步骤407；如果不符合预置要求，则返回步骤402重新仿真天线方向图，直到符合预置要求； 

本优选实施例采用的重新仿真天线方向图的方法是：对上述场分布函数进行调整，如修改函数类型，将一次函数方程改为n次函数方程；或者，调整函数项，再或者调整变量系数，等等。 

然后，顺次执行步骤403～406，先按照步骤403对调整后的天线方向图函数进行变换得到天线平面上的场分布函数；再按照步骤404根据所述场分布函数进行采样，得到采样的天线单元的能量强度和相位分布；再按照步骤405利用所述采样的天线单元的能量强度和相位分布，对由天线单元组成的天线阵列进行仿真得到天线方向图；最后按照步骤406与根据仿真得到的天线方向图计算天线功率分布，并与实际所需的天线功率分布进行比较。 

步骤407，对得到的天线阵列进行优化，得到实际所需的天线。 

本步骤是优选步骤，目的是使采样得到的天线阵列更加符合实际需要，更容易实现。所述优化可以是在不改变最后功率分布的前提下，减少采样的天线单元的数量，或者，减小天线阵列的面积(即天线的尺寸大小)，等等。 

基于上述方法实施例，本发明还提供了相应的系统实施例。 

参照图5，是本发明实施例所述一种微带天线能量分布控制系统的结构图。 

所述控制系统包括需求确定模块51、方向图计算模块52、功率分布计算模块53和比较模块54，其中， 

需求确定模块51，用于确定实际所需的天线功率分布及天线辐射主方向； 

方向图计算模块52，用于根据所述天线辐射功率分布及天线辐射主方向仿真得到天线方向图； 

功率分布计算模块53，用于根据仿真得到的天线方向图计算天线功率分布； 

比较模块54，用于将功率分布计算模块得到的天线功率分布与实际所需的天线功率分布进行比较，如果符合预置要求，则得到实际所需的天线；如果不符合预置要求，则触发方向图计算模块52重新仿真天线方向图，直到符合预置要求。 

具体的，所述方向图计算模块52进一步可以包括： 

方向图函数计算子模块521，用于根据所述天线功率分布及天线辐射主方向确定天线方向图函数； 

变换子模块522，用于对所述天线方向图函数进行变换得到天线平面上的场分布函数； 

采样子模块523，用于根据所述场分布函数进行采样，得到采样的天线单元的能量强度和相位分布； 

仿真子模块524，用于利用所述采样的天线单元的能量强度和相位分布，对由天线单元组成的天线阵列进行仿真得到天线方向图。 

此外，所述方向图计算模块52通过以下方式重新仿真天线方向图：所述方向图函数计算子模块521还用于调整天线方向图函数；所述变换子模块522还用于对调整后的天线方向图函数进行变换得到天线平面上的场分布函数；所述采样子模块523还用于根据所述场分布函数进行采样，得到采样的天线单元的能量强度和相位分布；所述仿真子模块524还用于利用所述采样的天线单元的能量强度和相位分布，对由天线单元组成的天线阵列进行仿真得到天线方向图。 

优选的，为了使采样得到的天线阵列更加符合实际需要，更容易实现，所述控制系统还可以包括： 

优化模块55，用于对得到的天线阵列进行优化，得到实际所需的天线。 

其中，所述优化模块55可以通过减少天线单元的数量，和/或减小天线阵列的面积等，来优化天线阵列。 

对于上述系统实施例而言，由于其与图3、图4所示实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。 

需要说明的是，上述各实施例不仅可以应用于现有的具有固定ETC通 道的自动收费站，还可以应用到具有多通道自由流的自动收费过程中。对于现有的具有固定ETC通道的ETC收费站，由于使用本发明设计出来的微带天线可使不同灵敏度的OBU的唤醒和交易距离差异变小，因此可抑制车辆临道的干扰；而对于具有多通道自由流的自动收费应用，没有固定的ETC通道，公路上的各个通道只要安装了RSU微带天线，就可对装有OBU的车辆进行自动收费，因此如果使用本发明设计的微带天线，对抑制车辆临道干扰尤其重要。 

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。 

以上对本发明所提供的一种微带天线能量分布控制方法及控制系统，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。 

Claims (10)

1.一种微带天线能量分布控制方法，其特征在于，包括：

确定实际所需的天线功率分布及天线辐射主方向；

根据所述天线辐射功率分布及天线辐射主方向仿真得到天线方向图；

根据仿真得到的天线方向图计算天线功率分布，并与实际所需的天线功率分布进行比较，如果符合预置要求，则得到实际所需的天线；如果不符合预置要求，则重新仿真天线方向图，直到符合预置要求；其中所述符合预置要求包括：如果二者的误差在预置的合理范围之内，则认为符合要求，此时仿真得到的天线即为实际所需的天线；但如果二者的误差不在预置的合理范围之内，则认为本次仿真得到的天线还不符合要求。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述天线功率分布及天线辐射主方向仿真得到天线方向图，包括：

根据所述天线功率分布及天线辐射主方向确定天线方向图函数；

对所述天线方向图函数进行变换得到天线平面上的场分布函数；

根据所述场分布函数进行采样，得到采样的天线单元的能量强度和相位分布；

利用所述采样的天线单元的能量强度和相位分布，对由天线单元组成的天线阵列进行仿真得到天线方向图。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述重新仿真天线方向图包括：

调整天线方向图函数；

对调整后的天线方向图函数进行变换得到天线平面上的场分布函数；

根据所述场分布函数进行采样，得到采样的天线单元的能量强度和相位分布；

利用所述采样的天线单元的能量强度和相位分布，对由天线单元组成的天线阵列进行仿真得到天线方向图。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，如果符合预置要求，还包括：

对得到的天线阵列进行优化，得到实际所需的天线。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述优化包括：

减少天线单元的数量；

和/或，减小天线阵列的面积。

6.一种微带天线能量分布控制系统，其特征在于，包括：

需求确定模块，用于确定实际所需的天线功率分布及天线辐射主方向；

方向图计算模块，用于根据所述天线辐射功率分布及天线辐射主方向仿真得到天线方向图；

功率分布计算模块，用于根据仿真得到的天线方向图计算天线功率分布；

比较模块，用于将功率分布计算模块得到的天线功率分布与实际所需的天线功率分布进行比较，如果符合预置要求，则得到实际所需的天线；如果不符合预置要求，则触发方向图计算模块重新仿真天线方向图，直到符合预置要求；其中所述符合预置要求包括：如果二者的误差在预置的合理范围之内，则认为符合要求，此时仿真得到的天线即为实际所需的天线；但如果二者的误差不在预置的合理范围之内，则认为本次仿真得到的天线还不符合要求。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述方向图计算模块包括：

方向图函数计算子模块，用于根据所述天线功率分布及天线辐射主方向确定天线方向图函数；

变换子模块，用于对所述天线方向图函数进行变换得到天线平面上的场分布函数；

采样子模块，用于根据所述场分布函数进行采样，得到采样的天线单元的能量强度和相位分布；

仿真子模块，用于利用所述采样的天线单元的能量强度和相位分布，对由天线单元组成的天线阵列进行仿真得到天线方向图。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于：

所述方向图函数计算子模块还用于调整天线方向图函数；

所述变换子模块还用于对调整后的天线方向图函数进行变换得到天线平面上的场分布函数；

所述采样子模块还用于根据所述场分布函数进行采样，得到采样的天线单元的能量强度和相位分布；

所述仿真子模块还用于利用所述采样的天线单元的能量强度和相位分布，对由天线单元组成的天线阵列进行仿真得到天线方向图。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，还包括：

优化模块，用于对得到的天线阵列进行优化，得到实际所需的天线。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于：

所述优化模块通过减少天线单元的数量，和/或减小天线阵列的面积，来优化天线阵列。

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