CN202871981U - 可重构多波束天线的控制装置、天线和收费系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种可重构多波束天线的控制装置、天线和收费系统，该控制装置包括参数配置单元、波束形成单元和多个波束控制单元，其中，波束形成单元与参数配置单元相连，各波束控制单元分别与波束形成单元相连。该控制装置，为应用于ETC系统中的可重构多波束天线的控制装置，可根据车辆收费站的实际环境控制调节可重构多波束天线中各天线阵元的馈电相位，最终实现通过各天线阵元分别对应接收各车载电子标签自不同方向发射的电磁波信号，使应用于ETC系统中的可重构多波束天线能够同时接收多个车载电子标签发射的电磁波信号，可提高收费站的收费效率和道路的通行率。

Description

可重构多波束天线的控制装置、天线和收费系统

技术领域

本实用新型涉及天线结构技术，特别涉及一种可重构多波束天线的控制装置、天线和收费系统。

背景技术

电子不停车收费系统（Electronic Toll Collection，简称ETC）是一种应用在道路、大桥和隧道等中的电子收费系统。

在使用该系统时，需要在车辆挡风玻璃上安装车载电子标签。在车辆通过收费站时，设置在收费站处的安装架的天线接收车载电子标签发送的电磁波信号。该电磁波信号携带有有关车辆的信息，例如，车辆类别、车主、车牌号、道路运行信息、征费状态等。天线可将电磁波信号转换成电信号，并可进一步的通过模数转换装置将该电信号转换成数字信号，然后发送给路侧控制器。路侧控制器对接收到的数字信号处理，解析出数字信号中携带的有关车辆的信息，再发送给联网计算机。计算机通过获取的车辆信息，采用相应的计算方法计算出该车辆本次应缴纳的费用，从该车辆电子标签IC卡的电子钱包或者车主关联的银行账户中扣除应缴纳的费用，从而实现车辆通过收费站不需停车而自动付费。

目前的ETC系统中，设置在收费站车道上的天线为单波束天线，同一时刻只能接收到一辆车的车载电子标签发送的电磁波信号，因此，当同一时刻有多辆车需到达收费站时，需要轮流先后放行车辆，一辆车通过收费站后再让另一辆车通过；如果ETC系统没有与前车交易就直接与后车交易，会造成车辆交易队列错误，也就是跟车干扰（后车付费、前车没有付费）；如果ETC系统与邻近车道车辆交易（没有与本车道交易）就是临道干扰；因此，现有的这种ETC系统，与人工收费相比虽然提高了收费效率和道路的通行率，但是，当车辆较多时，其收费准确性和效率仍然有待于进一步提高。

实用新型内容

本实用新型第一个方面是提供一种可重构多波束天线的控制装置，以提高ETC系统的收费效率和道路的通行率。

本实用新型提供的可重构多波束天线的控制装置，包括：

用于根据预设车辆收费站的实际环境物理参数获取波束形成配置参数的参数配置单元；

用于根据所述波束形成配置参数生成多个不同波束指向的控制信号的波束形成单元；

和

用于根据所述各控制信号调节可重构多波束天线中各天线阵元的馈电相位，以控制各天线阵元分别对应接收各车载电子标签自不同方向发射的电磁波信号的各波束控制单元；

其中，

所述波束形成单元与所述参数配置单元相连；

所述各波束控制单元分别与所述波束形成单元相连。

如上所述的可重构多波束天线的控制装置，其中，所述波束形成单元为现场可编程门阵列。

本实用新型第二个方面是提供一种可重构多波束天线，包括本实用新型提供的控制装置，还包括：

用于分别对应接收各车载电子标签自不同方向发射的电磁波信号的各天线阵元；

用于分别接收各天线阵元输出的电磁波信号并对所述各电磁波信号经过本振、混频和滤波处理后转换为中频模拟信号的设置于射频前端中的各接收通道；

和

用于将所述各中频模拟信号转换成数字信号，以提供给电子不停车收费系统中的路侧控制器的数字信号处理器；

其中，

所述各天线阵元与所述控制装置中的各波束控制单元对应相连；

所述射频前端包括多个接收通道，且接收通道的数量与所述天线阵元的数量相同，所述各接收通道与所述各天线阵元对应相连；

所述各接收通道分别与所述数字信号处理器相连。

本实用新型第三个方面是提供一种电子不停车收费系统，包括本实用新型提供的可重构多波束天线，还包括：

用于在通过车辆收费站时发射电磁波信号的车载电子标签，所述电磁波信号携带有对应车辆的信息；

用于接收所述数字信号处理器输出的各数字信号，并对所述各数字信号进行解析以获取所述各数字信号对应车辆的信息的路侧控制器；

和

用于根据所述各车辆信息获取对应车辆的待缴纳通行费，以通过银行系统从对应车辆的关联银行账户中扣除待缴纳通行费的联网计算机；

其中，

所述可重构多波束天线设置于车辆收费站处的安装架上；

所述车载电子标签设置于车辆挡风玻璃处；

所述路侧控制器与所述可重构多波束天线中的数字信号处理器相连；

所述联网计算机与所述路侧控制器相连，且与银行系统联网。

本实用新型提供的可重构多波束天线的控制装置，为应用于ETC系统中的可重构多波束天线的控制装置，可根据车辆收费站的实际环境控制调节可重构多波束天线中各天线阵元的馈电相位，即改变各天线阵元的指向，从而通过各天线阵元接收不同频率、幅度和/相位的电磁波信号。最终实现通过各天线阵元分别对应接收各车载电子标签自不同方向发射的电磁波信号，使应用于ETC系统中的可重构多波束天线能够同时接收多个车载电子标签发射的电磁波信号，进而，ETC系统可根据接收的各电磁波信号确定车载电子标签的位置，也就是各车辆的位置，通过准确定位各车辆位置同时完成对各车辆的收费，从而解决临道干扰、跟车干扰造成通行成功率低的问题，可提高收费站收费效率和通行率。

附图说明

图1为本实用新型实施例所提供的可重构多波束天线的控制装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例所提供的可重构多波束天线的结构示意图。

具体实施方式

可重构多波束天线是利用数字波束形成技术的一种天线，该天线可用电控方法改变天线中各天线阵元的馈电相位，以改变天线方向图的形状，达到波束扫描的目的。

可重构多波束天线的发射/接收信号特性用天线方向图表示，天线方向图可确定天线的扫描覆盖范围，也就是确定能够接收的电磁波信号的波束频带、幅度和相位。

可重构多波束天线中通常包括天线阵列单元、多个移相器和射频前端等，天线阵列单元通常由多个在平面上排列的天线阵元组成，作用是发射/接收电磁波信号，各移相器用于调节各天线阵元的馈电相位，以改变天线方向图的形状，射频前端用于对天线阵元输出的电磁波信号进行本振、混频和滤波等处理。

针对目前的ETC系统中，设置在车辆收费站车道上的接收天线采用的单波束天线所带来的临道干扰、跟车干扰造成通行成功率低的问题，本实用新型对该接收天线提出了改进，采用可重构多波束天线作为ETC系统中的接收天线。

本实用新型实施例首先提供了一种可重构多波束天线的控制装置，为应用于ETC系统中的可重构多波束天线的控制装置，可控制该天线的天线方向图的形状，也就是控制该天线能够接收的电磁波信号的频带、幅度和相位。

图1为本实用新型实施例所提供的可重构多波束天线的控制装置的结构示意图，如图1所示，该可重构多波束天线的控制装置包括参数配置单元10、波束形成单元11和波束控制单元12。

参数配置单元10，用于根据预设车辆收费站的实际环境物理参数获取波束形成配置参数。

车辆收费站的实际环境物理参数指通过采集或测量等获取的收费站处道路的相关信息，例如，道路的宽度、设置的车道数量、道路与水平面的夹角（也就是道路的上坡角度或下坡角度）等参数，可将获取的该参数预先存储在参数配置单元中。

该参数配置单元可采用计算机或其他形式的数据处理装置实现，参数配置单元可根据实际环境物理参数获取波束形成配置参数，该配置参数指实现可重构多波束天线能够接收不同方向的电磁波信号的指标，例如，包括各电磁波信号的指向、增益、频率、幅度和相位等。

波束形成单元11，与所述参数配置单元10相连，用于根据所述波束形成配置参数生成多个不同波束指向的控制信号。

多个波束控制单元12，分别与所述波束形成单元11相连，所述各波束控制单元12用于根据所述各控制信号调节可重构多波束天线中各天线阵元的馈电相位，以控制各天线阵元分别对应接收各车载电子标签自不同方向发射的电磁波信号。

在ETC系统中，需要在车辆挡风玻璃上安装车载电子标签，该车载电子标签可发射电磁波信号，在车辆通过收费站时，通过作为接收天线的可重构多波束天线能够同时接收多个车载电子标签发射的电磁波信号，根据接收波束的覆盖区域确定电子标签的位置。

波束形成单元根据波束形成配置参数生成多个不同波束指向的控制信号，各不同波束指向的控制信号可以电压或电流信号，各控制信号可分别提供给各波束控制单元，各波束控制单元根据各控制信号可调节对应的天线阵元的馈电相位，天线阵元的馈电相位不同，各天线阵元的指向也就不同，也就是各天线阵元可接收不同频率、幅度和/相位的电磁波信号，从而实现通过各天线阵元分别对应接收各车载电子标签自不同方向发射的电磁波信号。

由上述技术方案可知，该可重构多波束天线的控制装置，为应用于ETC系统中的可重构多波束天线的控制装置，可根据车辆收费站的实际环境控制调节可重构多波束天线中各天线阵元的馈电相位，即改变各天线阵元的指向，从而通过各天线阵元接收不同频率、幅度和/相位的电磁波信号。最终实现通过各天线阵元分别对应接收各车载电子标签自不同方向发射的电磁波信号，使应用于ETC系统中的可重构多波束天线能够同时接收多个车载电子标签发射的电磁波信号，进而，ETC系统可根据接收的电磁波信号确定车载电子标签的位置，也就是各车辆的位置，通过准确定位各车辆位置同时完成对各车辆的收费，从而解决临道干扰、跟车干扰等造成通行成功率低的问题，可提高收费站收费效率和通行率。

在上述实施例的基础上，进一步的，该控制装置中的波束形成单元为现场可编程门阵列。

上述的波束形成单元可以采用可编程控制器、单片机或相应的硬件电路实现，本实施例中，优选的是采用现场可编程门阵列作为波束形成单元，

现场可编程门阵列（Field－Programmable Gate Array，简称FPGA），为一种专用集成电路，FPGA采用了逻辑单元阵列这一概念，其内部包括可配置逻辑模块、输出输入模块和内部连线模块等，可实现组合逻辑功能和时序逻辑功能。

FPGA采用分布式计算模式，可并行处理各种数据，能够进行大量复数乘法运算要求，且具有动态可编程特性，配置灵活。

由于可重构多波束天线中包括多个天线阵元，高达几十个或者上百个，对其进行控制的波束控制单元的数量与天线阵元的数量相同，波束形成单元生成的对波束控制单元的控制信号的数量也会较多，因此，本实施例中，利用FPGA的数据处理能力和动态可编程特性，可满足对可重构多波束天线中各天线阵元进行控制的要求，并且，可提高控制速度和控制精度。

本实用新型实施例还提供了一种可重构多波束天线，图2为本实用新型实施例所提供的可重构多波束天线2的结构示意图，如图2所示，该天线包括本实用新型实施例提供的控制装置，还包括多个天线阵元20、射频前端21和数字信号处理器22。

所述各天线阵元20与所述控制装置中的各波束控制单元12对应相连，所述各天线阵元20用于分别对应接收各车载电子标签自不同方向发射的电磁波信号。

在ETC系统中，需要在车辆挡风玻璃上安装车载电子标签，该车载电子标签可发射电磁波信号，由于车辆每次经过收费站时所在的位置可能不同，并且，当同一时刻有多辆车达到收费站时，各车辆所在的位置也不同，因此，车载电子标签发射的电磁波信号的方向也有所不同，即各电磁波信号的频率、幅度和相位不同，本实施例中，各天线阵元在与其对应的波束控制单元的控制下可调节其馈电相位，以通过各天线阵元分别对应接收各车载电子标签自不同方向发射的电磁波信号，可实现对电磁波信号的定向和定位接收。

所述射频前端21包括多个接收通道211，且接收通道211的数量与所述天线阵元20的数量相同，所述各接收通道211与所述各天线阵元20对应相连，所述各接收通道211用于分别接收各天线阵元20输出的电磁波信号并对所述各电磁波信号经过本振、混频和滤波处理后转换为中频模拟信号。

射频前端包括多个接收通道，接收通道用于对电磁波信号进行进一步的处理，以满足数字信号处理器的采样要求。

由于车载电子标签发射的电磁波信号为高频信号，其频率在5.8GHz，高频信号容易产生干扰，因此，本实施例中，对电磁波信号进行本振、混频和滤波处理后，进一步的转换为中频模拟信号。

所述各接收通道211分别与所述数字信号处理器22相连，所述数字信号处理器22用于将所述各中频模拟信号转换成数字信号，以提供给电子不停车收费系统中的路侧控制器。

数字信号处理器（digital signal processor，简称DSP）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件，其工作原理是接收模拟信号，以转换为二进制编码的数字信号，并且，可对数字信号进行修改、删除、强化等处理，并使该数字信号符合接收该数字信号的装置的格式要求。

DSP它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，本实施例利用DSP的强大数据处理能力和高运行速度的特点将各中频模拟信号转换成数字信号，以提供给电子不停车收费系统中的路侧控制器。

本实施例提供的可重构多波束天线，采用本实用新型实施例提供的控制装置，可根据车辆收费站的实际环境控制调节可重构多波束天线中各天线阵元的馈电相位，即改变各天线阵元的指向，从而实现通过各天线阵元分别对应接收各车载电子标签自不同方向发射的电磁波信号，使应用于ETC系统中的可重构多波束天线能够同时接收多个车载电子标签发射的电磁波信号，当同一时刻有多辆车的电子标签发射信号时，能够同时接收处理多辆车信息，通过定位准确完成对全部车辆的收费，因此，可提高收费站的收费效率和道路的通行率。

本实用新型实施例还提供了一种电子不停车收费系统，包括本实用新型实施例提供的可重构多波束天线，所述可重构多波束天线设置于车辆收费站处的安装架上；

还包括车载电子标签、路侧控制器和联网计算机。

车载电子标签，设置于车辆挡风玻璃处，用于在通过车辆收费站时发射电磁波信号，所述电磁波信号携带对应车辆的信息。

在ETC系统中，需要在车辆挡风玻璃上安装车载电子标签，该车载电子标签可发射电磁波信号，该电磁波信号携带有与该车辆有关的信息，例如，车辆类别、车主、车牌号、道路运行信息、征费状态等。

路侧控制器，与所述可重构多波束天线中的数字信号处理器相连，用于接收所述数字信号处理器输出的各数字信号，并对所述各数字信号进行解析以获取所述各数字信号对应车辆的信息。

联网计算机，与所述路侧控制器相连，且与银行系统联网，用于根据所述各车辆的信息获取对应车辆的待缴纳通行费，以通过银行系统从对应车辆的关联银行账户中扣除待缴纳通行费。

本实施例提供的ETC系统，将本实用新型实施例提供的可重构多波束天线可作为ETC系统中的接收天线，能够同时接收多个车载电子标签发射的电磁波信号，当同一时刻有多辆车的电子标签发射信号时，能够同时接收处理多辆车的信息，进而通过准确定位各车辆位置同时完成对各车辆的收费，因此，可提高收费站的收费效率和道路的通行率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，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，或者对其中部分或者全部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实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种可重构多波束天线的控制装置，其特征在于，包括：

用于根据预设车辆收费站的实际环境物理参数获取波束形成配置参数的参数配置单元；

用于根据所述波束形成配置参数生成多个不同波束指向的控制信号的波束形成单元；

和

用于根据所述各控制信号调节可重构多波束天线中各天线阵元的馈电相位，以控制各天线阵元分别对应接收各车载电子标签自不同方向发射的电磁波信号的各波束控制单元；

其中，

所述波束形成单元与所述参数配置单元相连；

所述各波束控制单元分别与所述波束形成单元相连。

2.根据权利要求1所述可重构多波束天线的控制装置，其特征在于，所述波束形成单元为现场可编程门阵列。

3.一种可重构多波束天线，其特征在于，包括权利要求1或2所述的控制装置，还包括：

用于分别对应接收各车载电子标签自不同方向发射的电磁波信号的各天线阵元；

用于分别接收各天线阵元输出的电磁波信号并对所述各电磁波信号经过本振、混频和滤波处理后转换为中频模拟信号的设置于射频前端中的各接收通道；

和

用于将所述各中频模拟信号转换成数字信号，以提供给电子不停车收费系统中的路侧控制器的数字信号处理器；

其中，

所述各天线阵元与所述控制装置中的各波束控制单元对应相连；

所述射频前端包括多个接收通道，且接收通道的数量与所述天线阵元的数量相同，所述各接收通道与所述各天线阵元对应相连；

所述各接收通道分别与所述数字信号处理器相连。

4.一种电子不停车收费系统，其特征在于，包括权利要求3所述的可重构多波束天线，还包括：

用于在通过车辆收费站时发射电磁波信号的车载电子标签，所述电磁波信号携带有对应车辆的信息；

用于接收所述数字信号处理器输出的各数字信号，并对所述各数字信号进行解析以获取所述各数字信号对应车辆的信息的路侧控制器；

和

用于根据所述各车辆信息获取对应车辆的待缴纳通行费，以通过银行系统从对应车辆的关联银行账户中扣除待缴纳通行费的联网计算机；

其中，

所述可重构多波束天线设置于车辆收费站处的安装架上；

所述车载电子标签设置于车辆挡风玻璃处；

所述路侧控制器与所述可重构多波束天线中的数字信号处理器相连；

所述联网计算机与所述路侧控制器相连，且与银行系统联网。