CN103367878A - 电子不停车收费系统的双通信天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电子不停车收费系统路侧单元的双通信天线，主要解决现有电子不停车收费系统中易出现跟车干扰的问题。该天线包括两个金属辐射贴片(1和2)、介质基板(3)、金属地板(4)和人工电磁媒质覆层(6)。两个金属贴片(1和2)对称设置在介质基板(3)上表面中心的两侧，并通过50Ω的馈电接头(5)与同轴线相连；金属地板(4)附着在介质基板(3)的下表面；人工电磁媒质覆层(6)固定在介质基板(3)的正上方，并与介质基板(3)之间形成FP谐振腔；通过对金属辐射贴片(1和2)分别馈电，得到主瓣方向不同的两个波束，以控制近远区通信。本发明能实现对不同通信区域的读写控制，避免电子不停车收费系统中的跟车干扰，保证通行车辆正常扣费。

Description

电子不停车收费系统的双通信天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别涉及一种双通信天线，可用于高速公路的电子不停车收费系统。

背景技术

电子不停车收费系统ETC，是目前世界上较为先进的路桥收费方式之一。电子不停车收费系统无需停车、无需人为操作、无需现金交易，给人们带来很多便利的同时也对促进现代社会发展起了积极作用。

ETC系统通过路侧单元RSU与安装在车辆挡风玻璃上的车载单元OBU通信来达到对车辆的自动识别，在不需要停车的情况下，利用计算机网络技术与银行后台进行结算处理，从而来完成对车辆的自动扣费。

随着ETC系统在高速公路的广泛应用，一些问题也显现出来，其中最普遍的便是跟车干扰的现象。通常的跟车干扰有以下两种情况：第一种情况是前后两车陆续经过ETC车道，RSU与后车的OBU发生了交易，车道栏杆抬起时未交易的前车驶离了车道，而交易完成的后车反而被拦截；第二种情况是前后两车陆续经过ETC车道时，前车发生了交易，但紧随其后的车辆在没有交易的状态下也尾随前车通过了ETC车道，造成后车漏扣。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种电子不停车收费系统的双通信天线，以减少跟车干扰，确保通行车辆正常扣费。

实现本发明目的的技术思路是：通过对两个金属贴片分别馈电，辐射两个不同方向的波束：其中一个波束用于控制远区通信，另一个波束控制近区通信；通过双通信处理逻辑控制两个金属贴片的开关通断，实现对不同通信区域的读写控制，保证车辆通过ETC车道时通信区唯一覆盖处于车道前端的车辆，从而减少跟车干扰。整个天线包括：

两个金属贴片、介质基板、金属地板和人工电磁媒质覆层，其特征在于：两个金属贴片对称设置在介质基板上表面中心的两侧，并通过50Ω的馈电接头与同轴线相连；金属地板附着在介质基板的下表面；人工电磁媒质覆层固定在介质基板的正上方。

作为优选，所述的两个金属贴片均采用边长a为14mm-15mm的方形贴片，并在该方形贴片的一个对角设有1mm-3mm的切角c，以实现圆极化。

作为优选，所述两个金属贴片之间的间距d为80mm-160mm。

作为优选，所述的人工电磁媒质覆层通过在覆层下表面周期排列覆层单元构成，排列周期t为6mm-20mm。

作为优选，所述的覆层单元采用边长为b的金属方形贴片，该边长b比覆层单元排列周期t小0.5mm-2mm。

作为优选，所述的介质基板上表面与人工电磁媒质覆层下表面的间距为22mm-28mm。

本发明具有如下优点：

1）本发明由于采用两个贴片分别馈电，以辐射两个不同方向的波束，分别控制近远区通信，因此只采用一个天线就能满足双通信ETC系统的对天线性能的要求。

2）本发明中由于介质基板与人工电磁媒质覆层构成FP谐振腔，使电磁波在介质基板和人工电磁媒质覆层之间发生谐振，因此可以实现高增益和窄波束。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的侧视图；

图3为本发明实施例1中的金属贴片和介质基板的结构示意图；

图4为本发明实施例2中的金属贴片和介质基板的结构示意图；

图5为本发明的人工电磁媒质覆层结构示意图；

图6为本发明输入端的反射系数仿真图；

图7为本发明的增益辐射方向图；

图8为本发明的轴比仿真图。

具体实施方式

以下结合附图及其实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

参照图1和图2，本发明包括：两个金属贴片1和2、介质基板3、金属地板4、馈电接头5、人工电磁媒质覆层6及覆层单元7。其中：

所述金属贴片1和2，均采用切去一个对角的方形贴片，如图3所示，通过切对角的方法在金属贴片上激励起两个分离的简并模式，当天线工作频率在两个简并模式谐振频率之间时，调整切角大小以使两个简并模式产生90°相位差，从而实现圆极化。本实施例中的切角是等腰直角三角形，方形贴片的边长a为14.7mm，等腰直角三角形切角的边长c为2.3mm。金属贴片1和金属贴片2对称刻蚀在介质基板3上表面中心的两侧，金属贴片1和金属贴片2之间的间距为d。距离d的大小应满足如下条件：1）两个波束主瓣方向的夹角应大于12°以满足覆盖近远区通信区域；2）金属贴片不超过人工媒质材料在天线基板上投影的区域，否则会产生边缘效应使天线性能恶化；3）两金属贴片间的耦合尽量小。在本实施例中金属贴片1和金属贴片2之间的间距d为140mm。

所述介质基板3，采用介电常数为2.65，损耗角正切为0.002，厚度为1.5mm的聚四氟乙烯介质基板。

所述金属地板4，形状与介质基板3相同，附着在介质基板3的下表面。

所述馈电接头5，由法兰盘和金属内芯组成，其中法兰盘与金属地板4焊接在一起，金属内芯穿过金属地板4和介质基板3与两个金属贴片1和2焊接在一起，通过馈电接头5对不同的金属贴片馈电可以得到主瓣方向不同的波束。由于馈电位置不在介质基板3的中心，几何结构不对称，辐射主瓣方向会有角度偏转，以控制近远区通信。

所述人工电磁媒质覆层6，由覆层单元7二维周期排列刻蚀在聚四氟乙烯介质基板的下表面构成，如图5所示。

所述覆层单元7，采用方形金属贴片结构，调整覆层单元7中方形贴片边长b和排列周期t，可以改变人工媒质覆层6的反射系数。本实施例中方形贴片边长b为15mm，周期t为16mm，人工媒质覆层6的反射系数模值为0.94。

人工电磁媒质覆层6通过尼龙螺丝8固定在介质基板3的上方，人工电磁媒质覆层6的下表面与介质基板3的上表面间距h为半波长，介质基板3与人工电磁媒质覆层6构成FP谐振腔，使电磁波在介质基板和人工电磁媒质覆层之间发生谐振，即电磁波在人工电磁媒质覆层6和介质基板3之间来回反射一次传播的相位差为2π的整数倍，透射波实现同相叠加，使天线的增益得到提高。

实施例2

参照图2，本发明包括：两个金属贴片1和2、介质基板3、金属地板4、馈电接头5、人工电磁媒质覆层6及覆层单元7。其中：

所述两个金属贴片1和2，均采用矩形贴片，如图4所示，其余结构与实施例1相同。本实施例中两个金属贴片1和2的长x均为14.9mm，宽y均为14.5mm，金属贴片1和金属贴片2之间的间距d为80mm，覆层单元7的边长b为5.5mm，排列周期t为6mm，介质基板3的上表面与人工电磁媒质覆层6的下表面间距h为22mm，其它结构的参数与实施例1相同。

实施例3

参照图1和图2，本发明包括：两个金属贴片1和2、介质基板3、金属地板4、馈电接头5、人工电磁媒质覆层6及覆层单元7。这些部件之间的结构关系与实施例1相同，但参数不同。本实施例中两个金属贴片1和2的边长a为15mm，切角边长c为3mm，金属贴片1和金属贴片2之间的间距d为120mm，覆层单元7的边长b为8mm，排列周期t为8.5mm，介质基板3的上表面与人工电磁媒质覆层6的下表面间距h为22mm，其它结构的参数与实施例1相同。

实施例4

参照图1和图2，本发明包括：两个金属贴片1和2、介质基板3、金属地板4、馈电接头5、人工电磁媒质覆层6及覆层单元7。其中：两个金属贴片1和2的边长a为14mm，切角边长c为2mm，金属贴片1和金属贴片2之间的间距d为160mm，覆层单元7的边长b为18mm，排列周期t为20mm，介质基板3的上表面与人工电磁媒质覆层6的下表面间距h为28mm，其它结构的参数与实施例1相同。

本发明的效果可通过以下仿真进一步描述。

仿真1，对本发明实施例1的反射系数进行仿真，结果如图6。

图6中，实线为金属贴片1激励时输入端的反射系数仿真图，虚线为金属贴片2激励时输入端的反射系数仿真图。由图6可以看出，在ETC系统的工作频段5.79GHz-5.84GHz内，天线的反射系数均小于-15dB，匹配良好。

仿真2，对本发明实施例1的辐射方向图进行仿真，结果如图7。其中：

图7(a)中的实线为金属贴片1激励时5.8GHz频点的垂直面增益方向图，虚线为金属贴片2激励时5.8GHz频点的垂直面增益方向图。

图7(b)中的实线为金属贴片1激励时5.8GHz频点的水平面增益方向图，虚线为金属贴片2激励时5.8GHz频点的水平面增益方向图。

由图7可以看出，本发明天线的最大辐射方向增益为18.2dB，垂直面的半功率波瓣宽度为16°，水平面的半功率波瓣宽度为17°。金属贴片1激励时，垂直面内主瓣在θ=7°方向；金属贴片2激励时，垂直面内主瓣在θ=-7°方向；两个波束主瓣方向的夹角为14°，满足覆盖近远区通信区域。

仿真3，对本发明实施例1的轴比进行仿真，结果如图8。其中：

图8(a)中的实线为金属贴片1激励时5.8GHz频点的垂直面轴比仿真图，虚线为金属贴片2激励时5.8GHz频点的垂直面轴比仿真图。

图8(b)中的实线为金属贴片1激励时5.8GHz频点的水平面轴比仿真图，虚线为金属贴片2激励时5.8GHz频点的水平面轴比仿真图。

由图8可以看出，本发明天线在垂直面和水平面半功率波瓣宽度范围内轴比均小于3dB，交叉极化鉴别率大于15dB。

综上，本发明具备馈电结构简单、增益高、波束窄的优点，而且只采用一个天线就能满足双通信ETC系统的对天线性能的要求。

以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于上述具体的实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是局限性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种电子不停车收费系统的双通信天线，包括两个金属贴片(1和2)、介质基板(3)、金属地板(4)和人工电磁媒质覆层(6)，其特征在于：

两个金属贴片(1和2)对称设置在介质基板(3)上表面中心的两侧，并通过50Ω的馈电接头(5)与同轴线相连；金属地板(4)附着在介质基板(3)的下表面；人工电磁媒质覆层(6)固定在介质基板(3)的正上方，并与介质基板(3)之间形成FP谐振腔。

2.根据权利要求1所述的双通信天线，其特征在于：两个金属贴片(1和2)均采用边长a为14mm-15mm的方形贴片，并在该方形贴片的一个对角设有边长为2mm-3mm的切角c，以实现圆极化。

3.根据权利要求1所述的双通信天线，其特征在于：金属贴片(1)和金属贴片(2)之间的间距d为80mm-160mm。

4.根据权利要求1所述的双通信天线，其特征在于：人工电磁媒质覆层(6)通过在覆层下表面周期排列覆层单元(7)构成，排列周期t为6mm-20mm。

5.根据权利要求4所述的双通信天线，其特征在于：覆层单元(7)采用边长为b的金属方形贴片，该边长b比覆层单元(7)排列周期t小0.5mm-2mm。

6.根据权利要求1所述的双通信天线，其特征在于：介质基板(3)的上表面与人工电磁媒质覆层(6)的下表面间距h为22mm-28mm。

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