CN102347530A - 一种用于高速公路电子收费天线阵的设计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于高速公路电子收费天线阵的设计，该天线采用8单元螺旋天线的圆形阵列结构实现工作要求的锐化波束以及高增益指标，具备紧凑的空间结构。螺旋天线阵列采用同轴功分器实现对每个天线单元的等幅同相馈电，保证天线具有良好的阻抗带宽和圆极化轴比带宽。本发明在5.5-6GHz的频带范围内很好地实现了锐化波束，高增益和圆极化的辐射特性，可用于对波束宽度锐化程度以及增益有严格要求的高速公路车道环境。同时满足对天线体积和重量的限制。具有良好的性能，易于实现的结构和低成本优势。

Description

一种用于高速公路电子收费天线阵的设计

技术领域

本发明涉及一款圆极化螺旋天线阵列的设计。该天线可应用于高速公路收费站进行自动电子收费。

背景技术

随着信息技术在社会各个领域的广泛应用，人们对天线的性能提出了更高的要求，圆极化螺旋天线由于其良好的圆极化特性，低成本，易于制造和良好的可调性而被应用于各种通信终端。其主要优点为：

1、圆极化。螺旋天线可以通过简单的螺旋结构在主波束范围内实现良好的圆极化，因此对圆极化要求较高的工作环境广泛使用螺旋天线以实现通信可靠性以及减少交叉极化干扰的特性。

2、良好的可调性。通过控制螺旋天线自身圈数，以及螺距、圈长等参数可以有效控制波束宽度和增益以及圆极化等重要指标。

3、宽频带。螺旋天线作为一种行波天线可以在很宽的频带范围内实现馈电匹配以及极化匹配。

4、低成本且易于制造。螺旋天线由于其结构简单并且易于实现各项天线指标，所以具有其他圆极化天线所没有的价格优势，并且工程实现较之其他圆极化天线也非常容易。

5、良好的阵列特性。螺旋天线结构简单在结构上易于组成阵列，并且螺旋天线阵列被广泛应用以实现圆极化，高增益，锐化波束的目的。

本发明在实现单个螺旋天线工作特性基础上，通过应用螺旋天线组阵理论并对结构进行优化，实现了8单元螺旋天线阵列的圆极化，高增益，锐化波束的特性。仿真和实测结果表明，该天线在要求的5.5-6GHz的工作频带上具备良好的阻抗带宽和轴比带宽，具有锐化的波束(3dB波束宽度与第一零点波束宽度非常接近，均为±18°左右)和大于17dB的增益，天线悬挂在收费站5.5m--6m高的标准悬臂上，能够对路面上长5.5m和宽2.5m的椭圆区域范围形成有效的辐射，最大增益超过17dB，并且3dB波束宽度与第一零点波束宽度非常接近，从而使得区域之外天线的辐射很弱，以形成对辐射区域与外界区域的有效隔离，适合于高速公路电子收费的尺寸约束非常严格的工作环境。

发明内容

本发明所涉及的方案均针对高速公路收费站电子收费对天线的波束宽度，增益以及圆极化的要求。为了实现以上目标，本发明采用以下技术方案：

通过高速公路车道宽度以及前后车距等尺寸要求并考虑到相邻车道以及前后车辆的隔离度，结合收费天线悬挂位置计算得出所需要的天线波束覆盖范围。根据以上计算结果结合单个螺旋天线指标以及螺旋天线阵列特点，将8个完全相同的螺旋天线组成圆形阵列，天线均采用绕制于固定尺寸的聚四氟乙烯介质棒上的螺旋铜线，并将螺旋天线固定在设计好尺寸的铝板上，通过铝板背面固定位置的8个SMA接头将天线馈电端引到铝板背面，然后通过设计好的1分8的同轴功分器对8个螺旋天线实现等幅同相的馈电。

附图说明

图1为本螺旋天线阵列的结构图

图2为螺旋天线单元增益图

图3为螺旋天线单元轴比图

图4为本螺旋天线阵列的增益图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

图1为本螺旋天线阵列的结构图，图1中的01图为本螺旋天线阵列的结构图的左视图，包括聚四氟乙烯介质棒112，螺旋铜线114，设计好尺寸的铝板116，SMA接头118，图1中的02图为本螺旋天线阵列的结构图的俯视图，8单元的圆形阵列组成的螺旋天线。图1中的03图为本螺旋天线阵列的结构图的三维立体图。下面就具体实施例说明该发明技术。

图1螺旋天线阵列的结构图中，四氟乙烯介质棒112高度的合理设计，螺旋铜线114螺距、圈长等参数的调节，组成的单个螺旋天线能够实现高速公路收费站电子收费对天线增益以及圆极化的要求。绕制于四氟乙烯介质棒112上的螺旋铜线114组成螺旋天线固定在设计好的铝板116上，通过铝板116背面固定位置的8个SMA接头118将天线馈电端引到铝板116背面，然后通过设计好的1分8的同轴功分器对8个螺旋天线实现等幅同相的馈电。绕制于四氟乙烯介质棒112上的螺旋铜线114组成螺旋天线作为一种行波天线可以在很宽的频带范围内实现馈电匹配以及极化匹配。四氟乙烯介质棒112上绕制的螺旋铜线114组成的8个完全相同的螺旋天线，通过简单的螺旋结构，在主波束范围内实现良好的圆极化，实现了高速公路收费站电子收费对天线波束宽度，增益以及圆极化的要求。

图2为螺旋天线单元增益图，绕制于四氟乙烯介质棒112上的螺旋铜线114组成螺旋天线单元形成的在天线波束覆盖范围内的波形，此波形在A点到B点之间迅速递增，在A点到C点之间又迅速衰减，较大提高隔离度，保证电子收费的可靠性。

图3为螺旋天线单元轴比图，绕制于四氟乙烯介质棒112上的螺旋铜线114组成螺旋天线单元具备良好的阻抗带宽和轴比带宽，如螺旋天线单元轴比图示E点与F点之间形成的轴比带宽，保证了螺旋天线可以在很宽的频带范围内实现馈电匹配以及极化匹配。

图4为本螺旋天线阵列的增益图，高速公路电子收费对相邻车道以及同一车道前后车距的隔离度有严格要求，该发明例所设计的螺旋天线阵列能够锐化波束，在长5.5米，宽2.5米的椭圆区域内形成有效辐射，如图4螺旋天线阵列的增益图所示H点到J点形成的较快递增，J点到K点形成迅速衰减在H点达到最高增益，而区域之外天线的辐射很弱，形成了对辐射区域与外界区域的有效的隔离，实现了本螺旋天线针对高速公路收费站电子收费对天线的波束宽度，增益以及圆极化的要求。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种用于高速公路电子收费天线阵的设计，该天线的工作频段为5.5-6GHz，其特征在于，高速公路电子收费对相邻车道以及同一车道前后车距的隔离度有严格要求，所设计的螺旋天线阵列具有锐化的波束，在长5.5米，宽2.5米的椭圆区域内形成有效辐射，最高增益达到19dB，而在此椭圆区域之外增益迅速衰减以提高隔离度。为了提高电子收费的可靠性，本天线也具有较好的圆极化特性，主波束范围内轴比在1.4(3dB)以下。本天线由上层的天线阵列和下层的馈电网络构成。其中每个天线包括聚四氟乙烯介质棒，绕制用铜线两部分。馈电网络为一个1分8的同轴功分器在指定带宽内为所有螺旋天线单元实现等幅同相的馈电。

2.如权利要求1所述的螺旋天线的设计方法，其特征在于，通过合理设计天线阵列结构及尺寸实现锐化波束和高增益的指标。

3.如权利要求1所述的螺旋天线设计方法，通过1分8的同轴功分器实现对每个螺旋天线单元的等幅同相馈电。

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