專利名稱：一種微帶陣列天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種天線，尤其涉及一種微帶陣列天線。
背景技術(shù)：
不停車收費系統(tǒng)(Electronic Toll Collection system,筒稱ETC系統(tǒng))能夠利用車輛自動識別技術(shù)完成路側(cè)設(shè)備(Roadside Unit, RSU)跟車載單元(On BoardUnit, OBU)的雙向通信，通過計算機網(wǎng)絡(luò)進行收費數(shù)據(jù)的處理，實現(xiàn)不停車的全電子收費。不停車收費技術(shù)特別適于在高速公路或交通繁忙的橋隧環(huán)境下釆用。實施不停車收費，可以允許車輛高速通過，大大提高公路的通行能力。
不停車收費系統(tǒng)的RSU —般架設(shè)在收費站的龍門架上，裝有OBU的車輛以大于20公里/小時的速度通過收費站，雙方通過天線發(fā)射和接收微波信號。每個ETC車道上方安裝一個RSU, RSU用內(nèi)置的陣列天線保證本車道路面的有效覆蓋。其中，天線的水平波瓣寬度決定道路覆蓋的寬度，而垂直波瓣寬度則決定道路覆蓋的長度。在多條ETC車道情況下，如果本車道RSU中陣列天線的水平面的主瓣或者旁瓣輻射到相鄰車道上，會導(dǎo)致相鄰車道上行駛車輛中OBU的誤喚醒甚至誤交易。因此，為了保證本車道的有效覆蓋和避免對相鄰車道造成干擾，需要具有合適波瓣寬度和低旁瓣電平的陣列天線。
如圖1所示，目前有一種采用多個兩路功率分配器對各陣元非等幅饋電實現(xiàn)微帶陣列天線的結(jié)構(gòu)。其中，100為天線陣元，200為兩路功率分配器。圖1中所示的黑點為各相鄰傳輸線之間增加的電磁耦合隔離元件。這種兩路功率分配器饋電方式原理簡單，在天線陣元比較少的情況下具有結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)的優(yōu)點。傳統(tǒng)的饋電網(wǎng)絡(luò)的饋線通常由微帶線或者共面波導(dǎo)等傳輸線組成，這種傳輸線具有介質(zhì)和導(dǎo)體損耗，并且損耗跟饋線的長度是成正比的，因此在陣元比較多的情況下，采用多個兩路功率分配器勢必增加這種損耗，導(dǎo)致天線主瓣增益下降。除了天線陣元以外，饋線也會輻射電磁場，復(fù)雜的兩功分饋電網(wǎng)絡(luò)會增加相鄰饋線以及饋線與天線陣元之間的互耦，使得旁瓣電平的抑制非常困難

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種微帶陣列天線，能夠解決ETC的陣列天線的旁瓣抑制困難的問題。
為達到上述目的，本發(fā)明的實施例采用如下技術(shù)方案
一種微帶陣列天線，包括由兩個以上天線陣元組成的天線矩陣，所述天線矩陣的同一行包括兩個以上天線陣元，位于同一行的天線陣元中，各天線陣元與一個多路功率分配器的各輸出端口對應(yīng)連接，并且與所述天線矩陣的列中心線的距離不等的相鄰天線陣元之間連接有級聯(lián)的阻抗變換段。
本發(fā)明提供的微帶陣列天線中，同 一行的兩個以上天線陣元與一個多路功率分配器的各輸出端口對應(yīng)連接，并且與所述天線矩陣的列中心線的距離不等的相鄰天線陣元之間連接有級聯(lián)的阻抗變換段，因而能夠?qū)崿F(xiàn)位于中間和兩側(cè)的天線陣元的非等幅饋電，而且通過調(diào)整級聯(lián)的阻抗變換段中各阻抗變換段的阻抗比可以達到提高主瓣增益以及抑制旁瓣電平的目的。由于天線矩陣的每一行只用一個多i 各功率分配器，因而可以減小天線矩陣的體積。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。圖1為目前已有的一種微帶陣列天線的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為四路功率分配器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明的實施例一種微帶陣列天線的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明的實施例另 一種微帶陣列天線的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明的實施例微帶陣列天線中使用的天線陣元的示意圖；圖6為本發(fā)明的實施例微帶陣列天線的駐波曲線示意圖；圖7為本發(fā)明的實施例微帶陣列天線的波瓣方向示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例一種微帶陣列天線進行詳細描述。應(yīng)當(dāng)明確，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
本發(fā)明的實施例 一種^t帶陣列天線，包括由兩個以上天線陣元組成的天線矩陣，所述天線矩陣的同一行包括兩個以上天線陣元，位于同一行的天線陣元中，各天線陣元與一個多路功率分配器的各輸出端口對應(yīng)連接，并且與所述天線矩陣的列中心線的距離不等的相鄰天線陣元之間連接有級聯(lián)的阻抗變換段。
多路功率分配器可以參考圖2所述，由微帶線組成，其中包括有輸入端口 B,輸出端口C， A為饋電點。圖2所示為一個四路功率分配器，因而有四個輸出端口。圖2所示為本發(fā)明的一較佳實施例中采用的四路功率分配器，要實現(xiàn)本發(fā)明，可以與天線矩陣的列數(shù)對應(yīng)釆用任意大于兩路的多路功率分配器，例如，可以為五路功率分配器或六路功率分配器等。
如圖3所示，如果該天線矩陣為Nx4的矩陣，則說明該天線矩陣中每一行有4個天線陣元100，同一4亍中的各個天線陣元100與一個四路功率分配器300的四個輸出端口對應(yīng)連^:。同理，如果是NxM的矩陣，則通過一個M路功率分配器將同一行中的各個天線陣元IOO連接起來，并且共需N個M路功率分配器。
對于圖l所示陣列天線來說，要使得陣列天線的主瓣波束既能覆蓋本車道，又不擴散到相鄰車道，陣列天線的陣元數(shù)至少要八個，需要使用多個兩路功率分配器才能將饋電點的電流送到每個天線輻射單元。由于每兩個天線陣元就需要使用一個兩路功率分配器饋電，因而圖1所示的陣列天線共需15個兩路功率分配器。因而這樣的陣列天線的饋電結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，天線體積龐大，不利于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的小型化。
由于本發(fā)明的實施例采用 一個多路功率分配器將同 一行的兩個以上天線陣元連接，可以減少功率分配器的個數(shù)，如果是Nx4的矩陣，則只需N個四路功率分配器，從而減小天線矩陣的體積。
與所述天線矩陣的列中心線的距離不等的相鄰天線陣元之間連接有級聯(lián)的阻抗變換段，能夠?qū)崿F(xiàn)位于同一行的天線陣元的非等幅饋電，而且通過調(diào)整級聯(lián)的阻抗變換段中各阻抗變換段的阻抗大小可以達到抑制旁瓣電平的目的。由于采用一個多路功率分配器連接同一行中的各個天線陣元，因而本實施例中各天線陣元之間連接的微帶線長度較短，由此產(chǎn)生的介質(zhì)和導(dǎo)體損耗較小，能夠較好地抑制天線主瓣增益下降。
在上述方案的基礎(chǔ)上，所述位于同一行的天線陣元中，從中間向兩側(cè)，天
線陣元之間的間距逐漸減小。各個所述天線陣元100與對應(yīng)的多路功率分配器之間還連接有阻抗變換段400。
阻抗變換段400通常為一段長度約為1/4波導(dǎo)波長的微帶線。波導(dǎo)波長義指
的是電磁波在微帶線中的波長，可以通過公式義=,計算，其中v為電磁波在微
帶線中的傳播速度，/為電磁波的頻率。 一段長度近似為四分之一波導(dǎo)波長的微帶線可以將實數(shù)負載阻抗變換到所希望的實數(shù)輸入阻抗。因此，可以通過阻抗變換段將同一行的各天線陣元(例如第一行)到饋電點(例如A點)之間的輸入阻抗匹配到相同，從而將饋電點到各個天線陣元的饋電點之間相位差控制為
2;z:的整數(shù)倍，因而達到對同一行的天線陣元同相饋電的目的。而圖1中所示的天線矩陣中，旁瓣抑制所采用的各陣元非等幅饋電是利用T型分支線來實現(xiàn)的，
它在不連續(xù)性處會激勵起高次模，很難保證各陣元的同相饋電，這樣會導(dǎo)致天線輻射效率下降、主瓣最大輻射方向偏離車道中心以及旁瓣電平抬高等一系列問題，增加了交易出錯的概率。本發(fā)明的本實施例能夠通過簡單的功分網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)同相饋電，并且能夠避免出現(xiàn)以上所述的問題。
且不同行之間的間距可以相等。將位于天線矩陣的列中心線上最外側(cè)的兩個阻
抗變換段用600表示，中間的用700表示。為了達到同相饋電的目的，通常阻抗變換段600和阻抗變換段700的寬度是不同的，即阻抗不同。通過阻抗變換段600和阻抗變換段700將不同行之間進行連接，從而能夠保證整個天線矩陣的阻抗匹配和同相々赍電。
陣列天線除了最大輻射方向上的主波瓣外，還會產(chǎn)生一些寄生的旁瓣和后 瓣，其中最靠近主瓣的第一旁瓣電平一般比較高，會對其他信道產(chǎn)生干擾。陣 列天線的旁瓣電平受饋電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、各天線陣元饋電的幅度和相位、天線陣 元之間的互耦、板材邊緣的衍射效應(yīng)以及加工精度等多種因素的影響。其中， 天線陣元的饋電幅度對旁瓣電平大小具有決定性影響。饋電幅度的突變不連續(xù) 性會導(dǎo)致大旁瓣的出現(xiàn)，而在邊緣處漸變趨零的分布能使不連續(xù)性最小，從而 使得旁瓣電平最小。
一般情況下，如果對每個陣元等幅度饋電，陣列天線的旁
瓣電平約為-13dB，不能滿足ETC應(yīng)用的需求。
如果將兩段長度為四分之一波導(dǎo)波長的阻抗變換段級聯(lián)，就可以形成一個 類似變壓器的阻抗變換段。例如，假設(shè)相鄰天線陣元之間饋線的阻抗是100歐 姆，長度為一個波導(dǎo)波長。如果將其中長度為四分之一波導(dǎo)波長的饋線阻抗變 成50歐姆，就可以得到饋電幅度為1: 2的陣列天線。而且，這種阻抗的變換 僅僅通過改變微帶線的線寬就可以實現(xiàn)，不需要兩路功分器中的T型分支線， 大大降低了饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的難度。
在上述方案的基礎(chǔ)上，所述同一行的天線陣元中，與所述天線矩陣的列中 心線距離不等的天線陣元之間連接的級聯(lián)的阻抗變換段500包括靠近所述天 線矩陣外側(cè)的第一阻抗變換段510和靠近所述天線矩陣中心的第二阻抗變換段 520。為了達到饋電幅度由中心陣元向兩側(cè)陣元逐漸減小的目的，所述第一阻抗 變換段510的寬度大于所述第二阻抗變換段520的寬度。
因此對于本發(fā)明的實施例，通過控制級聯(lián)的阻抗變換段500的第一阻抗變 換段510和第二阻抗變換段520的寬度，則可控制這兩個阻抗變換段的阻抗， 從而能夠達到控制相鄰天線陣元之間的饋電幅度的目的。通過調(diào)節(jié)級聯(lián)的阻抗 變換段的饋電幅度比值，實現(xiàn)了非等幅饋電，從而達到控制旁瓣電平的目的。
以下通過一個4x4的天線矩陣為例，對本發(fā)明進4亍說明。
如圖4所示，為本發(fā)明的實施例4x4的天線矩陣的示意圖。在本實施例中， 兩列天線陣元L2和L3之間的距離為0.7 ~ 0.9個波導(dǎo)波長。對于一個專交佳的方 案，L2和L3之間的距離可以為0.7個波導(dǎo)波長，L1和L2之間、L3和L4之間的距離比L2和L3之間的距離小0.3 ~ 0.5mm。
級聯(lián)的阻抗變換段500中，所述笫一阻抗變換段的阻抗510與所述第二阻 抗變換段520的阻抗之比小于58: 100,優(yōu)選為58: 100,從而根據(jù)切比雪夫分 布能夠得到較低的旁瓣電平。
切比雪夫分布是最優(yōu)化折中的幅度分布，通過釆用切比雪夫分布控制水平 天線陣元的饋電幅度，在保證主瓣增益的情況下，可以有效的抑制旁瓣電平。 在本發(fā)明的實施例中，第一阻抗變換段的阻抗510可以選取阻抗為40 ~ 60歐姆， 第二阻抗變換段520可以選取阻抗為80- 120歐姆。根據(jù)切比雪夫分布，中心 陣元和邊緣陣元的饋電幅度之比小于0.58時，可以實現(xiàn)旁瓣電平小于_ 17dB。
此外，每一行中天線陣元都通過阻抗變換段400將各天線陣元的輸入阻抗 匹配到80 ~ 120歐姆。不同行之間也通過阻抗變換段600和700將阻抗匹配到 80~120歐姆。 一種優(yōu)選的方案為，將整個天線矩陣中所有的天線陣元的輸入阻 抗都匹配到100歐姆。通過這種方式，能夠?qū)崿F(xiàn)整個天線矩陣的阻抗匹配以及 對整個陣列天線中的各個天線陣元進行同相饋電。
在本發(fā)明的一較佳實施例中，本陣列天線的基片介電常數(shù)是2.55，損耗正 切為0.0019,基片的厚度為1.6mm。為了方便饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，天線陣元選擇 單點饋電的左旋圓極化或者右旋圓極化天線，從而能夠同時在天線上激勵起極 化正交、相位相差90。的橫磁模，合成的電磁場極化方式是圓極化。具體實現(xiàn)形 式包括但不限于圖5中所示的幾種切去一對三角形的圓極化天線陣元X1，切 去一個正方形的圓極化天線陣元X2，對角饋電的圓極化天線陣元X3和中心開 槽的圓極化天線陣元X4。在這種情況下，將4x4的天線矩陣阻抗匹配到100 歐姆時得到圖6和圖7所示的天線性能。圖6為本實施例陣列天線的駐波曲線， 圖7為本實施例陣列天線的波瓣方向圖。如圖6所示，駐波比小于2以下的阻 抗帶寬將近400MHz,遠遠大于系統(tǒng)所需要的50MHz帶寬。如圖7所示，天線 的主瓣增益達到17dB，水平和垂直波瓣寬度都是22度，旁瓣電平-17dB,完 全滿足ETC通信的需要。
以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于 此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍 應(yīng)以權(quán)利要求的保護范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1、一種微帶陣列天線，包括由兩個以上天線陣元組成的天線矩陣，所述天線矩陣的同一行包括兩個以上天線陣元，其特征在于，位于同一行的天線陣元中，各天線陣元與一個多路功率分配器的各輸出端口對應(yīng)連接，并且與所述天線矩陣的列中心線的距離不等的相鄰天線陣元之間連接有級聯(lián)的阻抗變換段。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微帶陣列天線，其特征在于，所述位于同一行的 天線陣元中，從中間向兩側(cè)，天線陣元之間的間距逐漸減小。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微帶陣列天線，其特征在于，各個所述天線陣元 與對應(yīng)的多路功率分配器之間還連接有阻抗變換段。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的微帶陣列天線，其特征在于，所述天線矩陣中不 同行之間的間距相等。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的微帶陣列天線，其特征在于，所述天線矩陣中不 同行之間還連接有阻抗變換段。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微帶陣列天線，其特征在于， 所述級聯(lián)的阻抗變換段包括靠近所述天線矩陣外側(cè)的第一阻抗變換段和靠近所述天線矩陣中心的第二阻抗變換段；所述第一阻抗變換段的寬度大于所 述第二阻抗變換段的寬度。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的微帶陣列天線，其特征在于，所述第一阻抗變換 段的阻抗與所述第二阻抗變換段的阻抗之比小于58: 100。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的微帶陣列天線，其特征在于，所述 天線矩陣為4x4矩陣。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的微帶陣列天線，其特征在于，所述第一阻抗變換 段的阻抗范圍為40 ~ 60歐姆，第二阻抗變換段的阻抗范圍為80 ~ 120歐姆。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的微帶陣列天線，其特征在于，位于所述天線矩 陣中間的兩列天線陣元之間的距離為0.7 ~ 0.9個波導(dǎo)波長；位于所述天線矩陣的列中心線同 一側(cè)的兩列天線陣元之間的距離比位于所 述天線矩陣中間的兩列天線陣元之間的距離小0.3 ~ 0.5mm。
11、 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的微帶陣列天線，其特征在于，所述阻抗變換段為長度為1/4波導(dǎo)波長的微帶線。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微帶陣列天線，涉及一種天線，能夠解決ETC的陣列天線的主瓣增益不高且旁瓣抑制困難的問題。所述微帶陣列天線包括由兩個以上天線陣元組成的天線矩陣，所述天線矩陣的同一行包括兩個以上天線陣元，位于同一行的天線陣元中，各天線陣元與一個多路功率分配器的各輸出端口對應(yīng)連接，并且與所述天線矩陣的列中心線的距離不等的相鄰天線陣元之間連接有級聯(lián)的阻抗變換段。本發(fā)明適用于ETC系統(tǒng)中的天線。
文檔編號H01Q13/08GK101552380SQ200910083918
公開日2009年10月7日 申請日期2009年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月12日
發(fā)明者肖春來 申請人:北京握奇數(shù)據(jù)系統(tǒng)有限公司