CN110635233A - 一种用于etc系统的低副瓣透镜阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于天线技术领域，公开了一种用于ETC系统的低副瓣透镜阵列天线，第一介质基板上印刷有8*18微带加载贴片；第二介质基板上表面选择性电镀微带线耦合馈电的8*18缝隙天线阵列；微带线耦合馈电的8*18缝隙天线阵列包括8*18个微带缝隙天线和18组一分八不等分T型功分网络，缝隙微带天线通过在槽缝上空加载微带贴片，产生新的谐振点，实现工作带宽的拓宽。其中Rotman透镜网络有七个波束端口、十八个阵列端口，结合波束轮廓、接受轮廓、移相微带线和π型衰减器，实现等幅度线性相位差和Taylor幅度分布的信号输出，得到了阵列天线俯仰面的低副瓣特性。本发明解决了传统ETC天线馈电结构复杂、方向图副瓣干扰大的难题。

Description

一种用于ETC系统的低副瓣透镜阵列天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种用于ETC系统的低副瓣透镜阵列 天线。
背景技术
目前，在高速公路或交通繁忙的桥梁、隧道等收费场所，ETC系统可以在 无人值守的情况下允许车辆不停车通过，可提高车辆通行效率，从而提高公路 的通行能力并降低收费管理的成本。现有的ETC天线主要采用线性相控阵实现 波束在俯仰面的扫描，对ETC车辆进行区域通信和识别定位。ETC相控阵天线 的通信区域是在车道的前后方向扫描，即要求波束在俯仰方向上变化扫描，水 平方向可以时固定波束。目前存在的问题是：相控阵在俯仰进行扫描时，会形 成栅瓣以及栅瓣的副瓣，导致ETC系统在工作时会出现邻道干扰和跟车干扰问 题。另外，相控阵在扫描时会出现有源驻波变高，反射损耗较大，造成更大的 效率损失和能量消耗。在多入多出的ETC车道，车辆情况和交通环更为复杂， 对ETC天线在实时跟踪扫描、高精度定位能力和跟车干扰等问题上提出了更高 的要求。为解决这些问题，ECT天线要求满足具有高增益波束、波束副瓣低以 及扫描时有源驻波低的特点。多波束天线能够通过同一辐射口径产生多个不同 指向的波束。在很多雷达设备中，经常采用由微波透镜作为馈电网络的阵列天 线来获得高增益波束和低副瓣特性。Rotman透镜是一种基于无源微波透镜的多 波束形成网络，具有低成本、可靠性高、设计简单、频带宽、相位误差小、宽 角扫描等优点。当对Rotman透镜波束轮廓上的不同端口进行激励时，在透镜的 接收端口将产生具有不同线性相差的微波信号。当不同相位差的微波信号经天 线阵列向外辐射时，将形成不同方向的波阵面，即形成多波束扫描。
综上所述，现有技术存在的问题是：传统的基于线性相控阵的ETC系统天 线，通常在扫描时会出现较大的栅瓣以及栅瓣的副瓣，导致结合数字波束形成 技术的ETC路测单元在不能准确实现ETC车辆跟踪扫描、分辨和定位，由此降 低了车辆通行速度和交易的准确率。除此之外，相控阵天线在波束扫描时出现 的有源驻波过高，导致系统反射损耗变大，效率降低。为解决上述问题，设计 适用于ETC系统的低副瓣透镜阵列天线。
解决上述技术问题的难度：设计的适用于ETC系统的低副瓣透镜阵列天线 需要有较低的副瓣和较大波束空间隔离，同时还需满足各个波束端口反射系数 小的特性。为保证Rotman透镜不超出阵面尺寸，还需对透镜网络作一定的小型 化处理。
解决上述技术问题的意义：提高了交易成功率、减小跟车干扰和邻道干扰 问题；提高了车辆的通行速度进而提高车道的通行能力和道路使用者的满意度。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于ETC系统的低副瓣透镜 阵列天线、智能终端。
本发明是这样实现的，一种用于ETC系统的低副瓣透镜阵列天线，所述用 于ETC系统的低副瓣透镜阵列天线设置有：第一介质基板、第二介质基板、第 三介质基板；
第一介质基板上印刷有8*18微带加载贴片；
第二介质基板上表面选择性电镀微带线耦合馈电的8*18缝隙天线阵列；微 带线耦合馈电的8*18缝隙天线阵列由8*18个微带缝隙、微带加载贴片和18个 一分八不等分T型功分网络组成；
第三介质基板上印刷Rotmant透镜。
进一步，8个微带缝隙天线为一组阵列，分别由一分八不等分T型功分网 络耦合馈电，一分八不等分T型功分网络始端经由共面馈电端口用等长的50 欧姆标准同轴线与Rotmant透镜上的共面馈电端口相连，电镀在第三介质基板 上的Rotman透镜馈电。
进一步，所述Rotman透镜波束轮廓上印刷7个波束端口，每个波束端口 通过50欧姆微带线与50欧姆标准端口相连，由50欧姆标准端口馈电。
进一步，所述Rotman透镜轮廓接收轮廓上印刷有18个接收端口，其后分 别连接移相微带线；接收端口中的两侧各7个微带移相器中间接入π型衰减器。
进一步，50欧姆标准端口通过金属化过孔与印刷在第三介质基板背面的金 属底板相连。
本发明的另一目的在于提供一种安装有所述用于ETC系统的低副瓣透镜 阵列天线的ETC控制系统。
本发明的另一目的在于提供一种安装有所述用于ETC系统的低副瓣透镜 阵列天线的智能终端。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明设有一个Rotman透镜网络 和微带线耦合馈电的8*18微带缝隙天线阵列；Rotman透镜焦距经过缩减，波 束轮廓和接收轮廓形状相近，电磁波可以均匀照射到接收轮廓。所述波束轮廓 对应横向尺寸较小，以避免超出阵面尺寸。波束轮廓端口和接收端口经过了指 向旋转和微带移相器长度调整，并采用π型衰减器，实现所需的幅相分布。接收 端口后连接移相微带线和π型衰减器，移相微带线，经过长度调整，可以实现等 幅度线性相位差和Taylor馈电幅度的信号输出。
本发明通过分层设计制造，避免了辐射阵列和馈电网络级联所产生的幅相 误差，也简化了安装成本，提高了生产效率。8*18缝隙天线阵列做为辐射阵面 用来提供有效的高增益波束。18组缝隙天线阵列分别由18组一分八不等分T 型功分网络馈电。Rotman透镜网络经小型化设计，可提供用于宽带多波束扫描 的等幅度线性相位差的激励信号，18个阵列口分别连接一分八不等分T型功分 网络，实现了对8*18微带缝隙天线阵列的有效激励。
综上所述，由于本发明采用了改进的Rotman透镜网络结合不等功分网络 馈电的方式，实现了低副瓣透镜阵列天线的宽带小型化。通过馈电网络与缝隙 天线阵列的结合，本发明同时实现ETC天线的宽带多波束覆盖、高增益、低副 瓣的特点，解决了传统ETC天线馈电结构规模大、副瓣干扰大的技术难题。 所设计的ETC天线只需一个简单的透镜网络即可实现多波束和低副瓣特性，而 相控阵天线需要收发组件和较为复杂的相位幅度馈电系统。设计的应用于ETC 系统的低副瓣透镜阵列天线可实现7个波束在频带内水平面和俯仰面副瓣均小 于-23.5dB，7个端口有源驻波在频带5.3～5.9GHz内VSWR≤1.5。相比传统的ETC系统相控阵天线，本发明天线馈电系统简单，同时还具有宽带多波束覆盖、 高增益、低副瓣和端口驻波低的优点，并利于一体化设计制造。
附图说明
图1是本发明实施例提供的用于ETC系统的低副瓣透镜阵列天线的结构示 意图；
图2是本发明实施例提供的8*18缝隙天线阵列、8*18微带加载贴片的结构 示意图。
图3是本发明实施例提供的Rotman透镜的结构示意图。
图4是本发明实施例提供的三层介质基板的结构示意图。
图5是本发明实施例提供的用于ETC系统的低副瓣透镜阵列天线中Rotman 透镜网络的端口、轮廓、微带贴片加载和连接示意图。
图6是本发明实施例提供的用于ETC系统的低副瓣透镜阵列天线中8*18 贴片天线阵列的一分八不等分T型功分网络和微带缝隙天线阵列示意图。
图7是本发明实施例提供的用于ETC系统的低副瓣透镜阵列天线的电压驻 波比曲线图。
图8是本发明实施例提供的用于ETC系统的低副瓣透镜阵列天线5.3GHz 示意图；
图中：(a)俯仰面；(b)方位面扫描增益曲线图。
图9是本发明实施例提供的用于ETC系统的低副瓣透镜阵列天线5.6GHz 示意图；
图中：(a)俯仰面；(b)方位面扫描增益曲线图。
图10是本发明实施例提供的用于ETC系统的低副瓣透镜阵列天线5.9GHz 示意图；
图中：(a)俯仰面；(b)方位面扫描增益曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例， 对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以 解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于ETC系统的低副瓣透镜 阵列天线、智能终端，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1-图6所示，本发明实施例提供的用于ETC系统的低副瓣透镜阵列天 线包括：第一介质基板1、第二介质基板2和第三介质基板3。
第一介质基板1采用选择性电镀工艺制造，在第一介质基板1上印刷有8*18 微带加载贴片102。
第二介质基板2采用选择性电镀工艺制造，第二介质基板2上表面选择性 电镀了微带线耦合馈电的8*18缝隙天线阵列101。微带线耦合馈电的8*18缝 隙天线阵列10由8*18个微带缝隙201、微带加载贴片102和18个一分八不等 分T型功分网络201组成。8个微带缝隙天线101作为一组阵列，分别由一分 八不等分T型功分网络201耦合馈电，一分八不等分T型功分网络201始端经 由共面馈电端口202用等长的50欧姆标准同轴线与Rotmant透镜30上的共面 馈电端口307相连，由电镀在第三介质基板3上的Rotman透镜30馈电。金属 反射板103确保缝隙定向阵面辐射。
Rotmant透镜印刷在第三介质基板3上。Rotman透镜波束轮廓上印刷7个 波束端口303，每个波束端口303通过50欧姆微带线304与50欧姆标准端口306相连，由50欧姆标准端口306馈电；Rotman透镜轮廓接收轮廓上印刷有 18个接收端口302，其后分别连接移相微带线308；接收端口302中的两侧各7 个微带移相器中间接入π型衰减器301。50欧姆标准端口306通过金属化过孔 305与印刷在第三介质基板3背面的金属底板相连。
下面结合仿真对本发明的技术效果作详细的描述。
1、仿真内容
如图7-图10所示。利用仿真软件对上述实施例天线的电压驻波比、多波束 增益方向图进行了仿真。
2、仿真结果
图7是对实施例天线仿真得到的电压驻波比随工作频率变化的曲线。结果 表明该天线在X波段阻抗相对带宽为10.7％(电压驻波比小于1.5)，工作频带 内所有端口驻波比小于1.5，阻抗匹配特性良好。
图8(a)是对实施例天线仿真得到的5.3GHz俯仰面波束扫描方向图。7 个波束一致性良好，最低增益27.1dBi，副瓣电平为-25.3dB，实现了俯仰面低 副瓣高增益的特性。图8(b)是对实施例天线仿真得到的中心频率方位面未扫描 增益方向图曲线。在该天线的最大辐射方向，增益为27.1dBi，波束宽度5.4度， 副瓣电平为-23.6dB。实现了方位面低副瓣高增益的特性。
图9(a)是对实施例天线仿真得到的5.3GHz俯仰面波束扫描方向图。7 个波束一致性良好，最低增益27.3dBi，副瓣电平为-24.9dB，实现了俯仰面低 副瓣高增益的特性。图9(b)是对实施例天线仿真得到的中心频率方位面未扫描 增益方向图曲线。在该天线的最大辐射方向，增益为27.2dBi，波束宽度5.2度， 副瓣电平为-27.4dB。实现了方位面低副瓣高增益的特性。
图10(a)是对实施例天线仿真得到的5.9GHz俯仰面波束扫描方向图。7 个波束一致性良好，最低增益27.3dBi，副瓣电平为-25.1dB，实现了俯仰面低副 瓣高增益的特性。图10(b)是对实施例天线仿真得到的中心频率方位面未扫描增 益方向图曲线。在该天线的最大辐射方向，增益为27.4dBi，波束宽度5.1度， 副瓣电平为-25.6dB。实现了方位面低副瓣高增益的特性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于ETC系统的低副瓣透镜阵列天线，其特征在于，所述用于ETC系统的低副瓣透镜阵列天线设置有：第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板；
第一介质基板上印刷有8*18微带加载贴片；
第二介质基板上表面选择性电镀微带线耦合馈电的8*18缝隙天线阵列；微带线耦合馈电的8*18缝隙天线阵列由8*18个微带缝隙、微带加载贴片和18个一分八不等分T型功分网络组成；18个一分八不等分T型功分网络印刷在介质基板的背面对缝隙阵列进行耦合馈电；
第三介质基板上印刷Rotmant透镜，背面印刷有金属地板，波束轮廓上设置7个波束激励端口用于馈电；接收轮廓上设置18个接收端口，接收端口后分别连接移相微带线和衰减器，实现等幅度线性相位差和Taylor幅度分布的信号输出；所述微带线耦合馈电的8*18缝隙天线阵列，由18组一分八不等分T型功分网络分别馈电。
2.如权利要求1所述的用于ETC系统的低副瓣透镜阵列天线，其特征在于，8个微带缝隙天线为一组阵列，分别由一分八不等分T型功分网络耦合馈电，一分八不等分T型功分网络始端经由共面馈电端口用等长的50欧姆标准同轴线与Rotmant透镜上的共面馈电端口相连，由电镀在第三介质基板上的Rotman透镜馈电。
3.如权利要求1所述的用于ETC系统的低副瓣透镜阵列天线，其特征在于，所述Rotman透镜波束轮廓上印刷7个波束端口，每个波束端口通过50欧姆微带线与50欧姆标准端口相连，由50欧姆标准端口馈电。
4.如权利要求1所述的用于ETC系统的低副瓣透镜阵列天线，其特征在于，所述Rotman透镜轮廓接收轮廓上印刷有18个接收端口，其后分别连接移相微带线；接收端口中的两侧各7个微带移相器中间接入π型衰减器；18组一分八不等分T型功分网络馈电始端通过Rotman透镜网络实现符合Taylor幅度分布的信号输出，以实现天线阵列俯仰面的低副瓣特性。
5.如权利要求1所述的用于ETC系统的低副瓣透镜阵列天线，其特征在于，50欧姆标准端口通过金属化过孔与印刷在第三介质基板背面的金属底板相连。
6.一种安装有权利要求1～5任意一项所述用于ETC系统的低副瓣透镜阵列天线的ETC控制系统。
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