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1、(10)申请公布号 CN 102509901 A (43)申请公布日 2012.06.20 C N 1 0 2 5 0 9 9 0 1 A *CN102509901A* (21)申请号 201110366035.3 (22)申请日 2011.11.16 H01Q 21/00(2006.01) H01Q 3/28(2006.01) H01Q 3/36(2006.01) (71)申请人广州市埃特斯通讯设备有限公司 地址 510600 广东省广州市萝岗区永和经济 区摇田河大街79号永和大楼703房 (72)发明人黄卫民 (54) 发明名称 应用于ETC系统的相控阵天线及其使用方法 (57) 摘要 本。
2、发明公开了应用于ETC系统的相控阵天 线，所述应用于ETC系统的相控阵天线包括由天 线子阵构成的发射天线阵与由天线子阵构成的接 收天线阵，以及相控阵发射组件与相控阵接收组 件、波控接口、通讯控制模块、地感接口、车速计算 模块、车辆跟踪模块、电源通讯适配器和安全认证 模块，其中通讯控制模块采集地感线圈信号，实时 估算车辆位置和速度，计算出波控指令，分别控制 相控阵发射组件与相控阵接收组件各路射频信号 的相位和幅值，在空间形成跟踪车辆的射频波束。 本发明还公开了使用方法。本发明实现动态长距 离连续通讯，消除跟车干扰，提高交易成功率，提 高通车速度，提高ETC系统的使用效率及建设的 性价比，降低建设。
3、成本。 (51)Int.Cl. 权利要求书2页 说明书8页 附图4页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 8 页 附图 4 页 1/2页 2 1.一种应用于ETC系统的相控阵天线，其特征在于：所述应用于ETC系统的相控阵天 线包括由天线子阵构成的发射天线阵与由天线子阵构成的接收天线阵，以及相控阵发射组 件与相控阵接收组件、波控接口、通讯控制模块、地感接口、车速计算模块、车辆跟踪模块、 电源通讯适配器和安全认证模块， 发射天线阵的天线子阵与接收天线阵的天线子阵分别通过馈线网络连接至相控阵发 射组件和相控阵接收组件的各路射频信号处理单元，通过对射。
4、频信号处理单元中的移相器 和衰减器赋值，实现对各天线子阵的相位和幅值控制， 通讯控制模块负责基带的编码/解码、调制/解调、HDLC/DSRC通迅流程控制，同时，采 集地感线圈接口信号，估算车辆位置和速度，计算出波控指令，通过波控接口，分别控制相 控阵发射组件与相控阵接收组件的各路移相器和衰减器，实现数字波束跟踪车辆， 电源通讯适配器和安全认证模块，实现天线与上位机的有线远距离通讯连接，并安装 有安全认证模块PSAM卡。 2.根据权利要求1所述的应用于ETC系统的相控阵天线，其特征在于：发射天线阵与 接收天线阵均由微带天线构成，其中微带天线是在一个薄介质基材上，一面为金属箔层作 为接地板，另一面。
5、光刻腐蚀出金属贴片，利用微带线和轴线探针对贴片馈电，贴片按规则排 列和馈电，且贴片馈电的相位和强度实时调节控制，构成所述发射天线阵与接收天线阵，贴 片采用矩形微带贴片，并通过切角技术实现圆极化，发射天线阵与接收天线阵的贴片数量， 根据波束宽度和副瓣电平要求确定。 3.根据权利要求2所述的应用于ETC系统的相控阵天线，其特征在于：发射天线阵与 接收天线阵均以1x6或1x8微带天线子阵作为基础结构，由410个子阵构成微带天线阵 列，每个子阵的激励相位和激励幅度分别可控制调节，形成一维扫描的数字波束，其中微带 天线子阵中的贴片和所有子阵，均采用泰勒级数分布函数进行幅值加权， 所述移相器移相值与波束的。
6、偏转角度存在下列关系：dsin /2，其中：为 波束偏转角度且单位为弧度，为移相器移相值且单位为弧度，d为子阵间的间距且单位 为mm，为波长且单位为mm；衰减器按照泰勒分布函数加权计算衰减器的赋值。 4.根据权利要求1所述的应用于ETC系统的相控阵天线，其特征在于：所述相控阵发 射组件由多路射频信号处理单元组成，来自通讯控制模块的激励信号，经功分器分别馈给 各路射频信号处理单元，射频信号处理单元由放大器、移相器、衰减器及功率放大器构成， 其中移相器和衰减器根据波控接口的波控指令，对射频信号进行移相和衰减，经功率放大 后，分别馈送给各路发射天线子阵，在空间形成波束扫描， 所述相控阵接收组件由多路。
7、射频信号处理单元组成，来自各路接收天线子阵的射频信 号，分别输入到对应的各射频信号处理单元，射频信号处理单元由低噪声前置放大器、移相 器、衰减器及放大器构成，其中移相器和衰减器根据波控接口的波控指令，对射频信号进行 移相和衰减，经处理后的射频信号由功分器矢量叠加，形成对信号空间的方向性选择，再输 出到通讯控制模块进行下变频、解调和解码，获得基带数据。 5.根据权利要求1所述的应用于ETC系统的相控阵天线，其特征在于：所述通讯控制 模块为16位嵌入式ARM处理器，内置FLASH且有射频PLL初始化、HDLC通讯协议、DSRC流 程控制、上位机通讯协议、地感接口和车辆位置及速度估算、相控阵波控指令。
8、算法和安全认 证协议各应用程序，其中HDLC通讯接口输出下行基带数据TX，经RF集成发射电路以ASK方 权 利 要 求 书CN 102509901 A 2/2页 3 式调制在5.8GHz载波上，产生射频输出作为相控阵发射组件的激励输入，相控阵接收组件 输出的射频信号，经RF集成接收电路下变频、解调出上行基带数据RX，并通过HDLC通讯接 口进入ARM处理器解码。 6.根据权利要求1所述的应用于ETC系统的相控阵天线，其特征在于：所述发射天线 阵与接收天线阵通过一环形器使发射天线阵与接收天线阵共用一个天线阵。 7.一种使用权利要求1-6任一权利要求所述的应用于ETC系统的相控阵天线的方法， 其特。
9、征在于：其中地感线圈设置有第一地感线圈、第二地感线圈、第三地感线圈和第四地感 线圈， 1)通过地感线圈接口信号确定车辆位置，当车辆进入第一地感线圈，射频波束对准车 辆前部，发出无线电信标，唤醒车上的电子标签，建立通信链路进入自动收费流程； 2)通讯控制模块采集地感线圈接口信号，当检测到车辆进入第二地感线圈的信号，计 算出车辆行驶速度，通过相控阵波束控制算法，实时得出移相器和衰减器控制数据，即波控 指令； 3)波控指令通过波控接口输入相控阵收/发组件，各路收/发组件对调制有基带数据 的微波信号，依据波控指令进行移相/衰减即相位和幅值控制、再经功率放大后，分别馈给 对应的天线子阵，形成数字波束； 。
10、4)数字波束实时跟踪车辆前行，如果车辆到了第三地感线圈，自动收费流程还没有结 束，通讯控制模块继续计算更新车辆位置、速度和波控指令，直到数字波束移动到栏杆跟前 为止； 5)前面的车辆完成自动收费流程后，通讯控制模块跟据地感线圈接口信号判断第二辆 车位置和行驶速度，通过相控阵波束控制算法，实时计算出对应第二辆车位置的移相器和 衰减器控制指令，数字波束指向第二辆车前部，重复前辆车的自动收费流程。 权 利 要 求 书CN 102509901 A 1/8页 4 应用于 ETC 系统的相控阵天线及其使用方法 技术领域 0001 本发明涉及电子不停车收费系统的技术领域，具体说是一种应用于ETC系统的相 控。
11、阵天线及其使用方法。 背景技术 0002 ETC系统(Electronic Toll Collection System)应用DSRC短程通信(Dedicated Short Communication)技术进行车辆与收费站之间的无线数据通讯，通过计算机网路进行 收费数据处理，实现不停车自动收费。 0003 ETC系统前端设备主要由路侧单元RSU(Raod Side Unit)和车载单元OBU(On Braod Unit)组成。使用ETC系统，车主只要在车窗上安装OBU并预存费用或与银行帐户绑 定，通过收费站时便不用人工缴费，无须停车，费用将从OBU中自动扣除。采用这种收费系 统的收费通道，其。
12、通行能力是人工收费通道的5到10倍。它特别适于交通繁忙的公路收费 站使用。近几年我国ETC系统的研究和实施取得了一定进展。但有些性能还有待优化、改 善，主要表现在：1)通车速度和无人值守的矛盾解决不好。栏杆前置可实现无人值守，但通 车速度太慢。2)栏杆后置通车速度快了，但需有人值守处理误入车辆和交易失败车辆。3) 目前大多采用多个天线来解决这个问题，但这带来了建设成本的大量增加。4)跟车干扰问 题解决不好。通讯区域大了有利于提高通车速度，但会增加跟车干扰，造成前后车位置颠倒 的概率升高。通讯区域小，可以防止跟车干扰，但车辆速度较快时，交易失败的概率会增加。 0004 目前ETC系统中使用的天线。
13、性能不能充分发挥自动收费车道的效能，不能完全满 足实际工程的需求，有必要通过先进创新的设计方案来对现有天线的性能进行改善，以缓 解车流量日益增大对收费系统的压力，提高ETC提高ETC系统效率。 发明内容 0005 本发明的目的是提供一种应用于ETC系统的相控阵天线，实现动态长距离连续通 讯，消除跟车干扰，提高交易成功率，提高通车速度，提高ETC系统的使用效率，提高ETC系 统建设的性价比，降低ETC系统的建设成本。 0006 本发明通过下述技术方案来实现。 0007 一种应用于ETC系统的相控阵天线，其特征在于：所述应用于ETC系统的相控阵天 线包括由天线子阵构成的发射天线阵与由天线子阵构成的。
14、接收天线阵，以及相控阵发射组 件与相控阵接收组件、波控接口、通讯控制模块、地感接口、车速计算模块、车辆跟踪模块、 电源通讯适配器和安全认证模块，发射天线阵的天线子阵与接收天线阵的天线子阵分别通 过馈线网络连接至相控阵发射组件和相控阵接收组件的各路射频信号处理单元，通过对射 频信号处理单元中的移相器和衰减器赋值，实现对各天线子阵的相位和幅值控制，通讯控 制模块负责基带的编码/解码、调制/解调、HDLC/DSRC通迅流程控制，同时，采集地感线圈 接口信号，估算车辆位置和速度，计算出波控指令，通过波控接口，分别控制相控阵发射组 件与相控阵接收组件的各路移相器和衰减器，实现波束跟踪车辆，电源通讯适配器。
15、和安全 说 明 书CN 102509901 A 2/8页 5 认证模块，实现天线与上位机的有线远距离通讯连接，并安装有安全认证模块PSAM卡。 0008 发射天线阵与接收天线阵均由微带天线构成，其中微带天线是在一个薄介质基材 上，一面为金属箔层作为接地板，另一面光刻腐蚀出金属贴片，利用微带线和轴线探针对贴 片馈电，贴片按规则排列和馈电，且贴片馈电的相位和强度实时调节控制，构成所述发射天 线阵与接收天线阵，贴片采用矩形微带贴片，并通过切角技术实现圆极化，发射天线阵与接 收天线阵的贴片数量，根据波束宽度和副瓣电平要求确定。 0009 发射天线阵与接收天线阵均以1x6或1x8微带天线子阵作为基础结构。
16、，由410 个子阵构成微带天线阵列，每个子阵的激励相位和激励幅度分别可控制调节，形成一维扫 描的数字波束，其中微带天线子阵中的贴片和所有子阵，均采用泰勒级数分布函数进行幅 值加权，所述移相器移相值与波束的偏转角度存在下列关系：dsin /2，其中： 为波束偏转角度且单位为弧度，为移相器移相值且单位为弧度，d为子阵间的间距且 单位为mm，为波长且单位为mm；衰减器按照泰勒分布函数加权计算衰减器的赋值。 0010 所述相控阵发射组件由多路射频信号处理单元组成，来自通讯控制模块的激励信 号，经功分器分别馈给各路射频信号处理单元，射频信号处理单元由放大器、移相器、衰减 器及功率放大器构成，其中移相器和。
17、衰减器根据波控接口的波控指令，对射频信号进行移 相和衰减，经功率放大后，分别馈送给各路发射天线子阵，在空间形成波束扫描，所述相控 阵接收组件由多路射频信号处理单元组成，来自各路接收天线子阵的射频信号，分别输入 到对应的各射频信号处理单元，射频信号处理单元由低噪声前置放大器、移相器、衰减器及 放大器构成，其中移相器和衰减器根据波控接口的波控指令，对射频信号进行移相和衰减， 经处理后的射频信号由功分器矢量叠加，形成对信号空间的方向性选择，再输出到通讯控 制模块进行下变频、解调和解码，获得基带数据。 0011 所述通讯控制模块为16位嵌入式ARM处理器，内置FLASH且有射频PLL初始化、 HDLC。
18、通讯协议、DSRC流程控制、上位机通讯协议、地感接口和车辆位置及速度估算、相控阵 波控指令算法和安全认证协议各应用程序，其中HDLC通讯接口输出下行基带数据TX，经RF 集成发射电路以ASK方式调制在5.8GHz载波上，产生射频输出作为相控阵发射组件的激励 输入，相控阵接收组件输出的射频信号，经RF集成接收电路下变频、解调出上行基带数据 RX，并通过HDLC通讯接口进入ARM处理器解码。 0012 所述发射天线阵与接收天线阵通过一环形器使发射天线阵与接收天线阵共用一 个天线阵。 0013 本发明还提供了一种使用前述应用于ETC系统的相控阵天线的方法，其中地感线 圈设置有第一地感线圈、第二地感线。
19、圈、第三地感线圈和第四地感线圈， 0014 1)通过地感线圈接口信号确定车辆位置，当车辆进入第一地感线圈，射频波束对 准车辆前部，发出无线电信标，唤醒车上的电子标签，建立通信链路进入自动收费流程； 0015 2)通讯控制模块采集地感线圈接口信号，当检测到车辆进入第二地感线圈的信 号，计算出车辆行驶速度，通过相控阵波束控制算法，实时得出移相器和衰减器控制数据， 即波控指令； 0016 3)波控指令通过波控接口输入相控阵收/发组件，各路收/发组件对 0017 本发明打破了ETC产业在实际应用中遇到的关键技术瓶颈，解决电子不停车收费 系统在推进中遇到的主要技术障碍，促进我国ETC产业的稳步发展，促进。
20、公路交通行业更 说 明 书CN 102509901 A 3/8页 6 加智能化、更加绿色环保。 附图说明 0018 图1为本发明应用于ETC系统的相控阵天线系统原理图； 0019 图2为本发明应用于ETC系统的相控阵天线通讯控制模块原理图； 0020 图3为本发明应用于ETC系统的相控阵天线相控阵发射组件原理图； 0021 图4为本发明应用于ETC系统的相控阵天线相控阵接收组件原理图； 0022 图5为本发明应用于ETC系统的相控阵天线发射天线阵与接收天线阵结构图； 0023 图6为本发明应用于ETC系统的相控阵天线相控阵天线波束扫描原理图； 0024 图7为本发明应用于ETC系统的相控阵天线。
21、相控阵天线的基本组成。 具体实施方式 0025 下面对本发明应用于ETC系统的相控阵天线作进一步详细描述。 0026 如图1，本发明一种应用于ETC系统的相控阵天线，应用于ETC系统的相控阵天线， 包括由天线子阵构成的发射天线阵与由天线子阵构成的接收天线阵，以及相控阵发射组件 与相控阵接收组件、波控接口、通讯控制模块、地感接口、车速计算模块、车辆跟踪模块、电 源通讯适配器和安全认证模块，其中发射天线阵与接收天线阵通过环形器，发射天线阵与 接收天线阵可共用一个天线阵，发射天线阵的天线子阵与接收天线阵的天线子阵，分别通 过馈线网络连接至相控阵发射组件和相控阵接收组件的各路射频信号处理单元，通过对射。
22、 频信号处理单元中的移相器和衰减器赋值，实现对各天线子阵的相位和幅值控制，通讯控 制模块负责基带的编码/解码、调制/解调、HDLC/DSRC通迅流程控制，同时，采集地感线圈 接口信号，估算车辆位置和速度，计算出波控指令，通过波控接口，分别控制相控阵发射组 件与相控阵接收组件的各路移相器和衰减器，实现波束跟踪车辆，电源通讯适配器和安全 认证模块，实现天线与上位机的有线远距离通讯连接，并安装有安全认证模块PSAM卡。更 具体来说，发射天线阵与接收天线阵分别与相控阵发射组件与相控阵接收组件电路连接， 电源与通讯控制模块电路连接，通讯控制模块与相控阵发射组件、相控阵接收组件电路连 接，通讯控制模块用于。
23、采集地感线圈接口信号，并根据进入到地感线圈的车辆估算车辆位 置和速度，通过处理实时得出波控指令且通过波控接口，分别控制相控阵发射组件与相控 阵接收组件的相位和幅值，波控接口将通讯控制模块输出的串行波控指令转换成相控阵发 射组件和相控阵接收组件所需要的并行波控指令，相控阵发射组件与相控阵接收组件分别 通过波控接口，接收通讯控制模块发出的车辆跟踪波控指令，形成跟踪车辆的射频波束，保 证高速行进中车上的电子标签始终处于通讯区域内，实现通讯区域内连续可靠的通讯应用 要求。 0027 如图5，发射天线阵与接收天线阵均由微带天线构成，发射天线阵与接收天线阵均 以1x6或1x8微带天线子阵作为基础结构，由4。
24、10个子阵构成微带天线阵列，多个子阵的 激励相位和激励幅度分别可控制调节，形成一维数字波束扫描即是形成一维扫描的数字波 束，其中微带天线子阵中的6-8个贴片和多个子阵采用泰勒级数分布函数进行幅值加权， 发射天线阵与接收天线阵的阵列尺寸由波束宽度最窄时的宽度值和副瓣电平确定，相位分 布主要根据波束要求确定，在有源辐射单元的边上放置不馈电的无源辐射单元，改善辐射 说 明 书CN 102509901 A 4/8页 7 单元的阻抗特性，贴片采用矩形微带贴片，并通过对角线切角技术实现圆极化。 0028 如图3，相控阵发射组件由4路射频信号处理单元组成。将DSRC通讯控制模块的 射频信号RF_out作为激。
25、励输入，经功分器将激励信号馈给多路射频信号处理单元，射频信 号处理单元对其进行放大、移相、衰减及功率放大，其中移相器和衰减器根据DSRC通讯控 制模块通过波控接口发过来的波控指令，对射频信号进行移相和衰减(相位和幅值控制)， 经功率放大后的射频信号分别馈给4个发射天线子阵，最终在空间形成符合应用要求的波 束。 0029 如图4，相控阵接收组件也由4路射频信号处理单元组成。分别将4个接收天线子 阵接收到的射频信号作为输入，射频信号处理单元对其进行放大、移相、衰减及功率放大， 其中移相器和衰减器根据DSRC通讯控制模块通过波控接口发过来的波控指令，对射频信 号进行移相和衰减(相位和幅值控制)，经处。
26、理后的射频信号由功分器矢量叠加，形成对信 号空间的方向性选择，再输出到DSRC通讯控制模块进行下变频和解调，解出基带数据。 0030 根据ETC应用车辆跟踪精要求，可采用46位数的数字移相器和数字衰减器。 0031 相控阵接收和组件组件通过波控接口，接收DSRC通讯控制模块发出的车辆跟踪 指令，形成跟踪车辆的射频波束，保证高速行进中的车上OBU始终处于通讯区域内，实现小 通讯区域连续可靠通讯的应用要求，它是本发明的核心内容。 0032 相控阵接收和组件组件的具体技术指标和技术要求： 0033 技术指标： 0034 工作频率(GHz)：发射：信道1：5.83，信道2：5.84；接收：信道1：5.。
27、79，信道2： 5.80； 0035 工作带宽：5MHz；T/R开关时间：0.3us；发射功率：20dBmPout33dBm(功 率由软件可调)；发射输入功率：03dBm；接收增益：23dBGain29dB；噪声系数：5dB； 三阶交调：-55dBc；杂散：-30dBm；移相器：6bit RMS偏差6；衰减器：6bit步长为 0.5dB；输入/输出驻波：21。 0036 如图2，DSRC通讯控制模块为16位嵌入式ARM处理器，内置FLASH驻留摸块，包 括射频PLL初始化、HDLC通讯协议、DSRC流程控制、上位机通讯协议、地感接口和车辆位置 及速度估算、相控阵波控指令算法和安全认证协议，其中。
28、HDLC通讯接口输出下行基带数据 TX，经RF集成发射电路以ASK方式调制在5.8GHz载波上，产生射频输出作为相控阵发射组 件的激励输入，相控阵接收组件输出射频信号，经RF集成接收电路下变频、解调出上行基 带数据RX，并通过HDLC通讯接口进入ARM处理器。通讯控制模块在DSRC交易流程中，安排 中国人民银行金融卡规范PBOC的双向安全认证，保证消费支付系统的安全性。 0037 本发明还提供了一种应用于ETC系统的相控阵天线的使用方法，其中地感线圈设 置有第一地感线圈、第二地感线圈、第三地感线圈和第四地感线圈(如果采用尺寸较小的 地感线圈，也可设置更多的地感线圈)。 0038 1)通过地感线。
29、圈接口信号确定车辆位置，当车辆进入第一地感线圈，射频波束对 准车辆前部，发出无线电信标，唤醒车上的电子标签，建立通信链路进入自动收费流程； 0039 2)通讯控制模块采集地感线圈接口信号，当检测到车辆进入第二地感线圈的信 号，计算出车辆行驶速度，通过相控阵波控算法，实时得出移相器和衰减器控制数据，即波 控指令； 说 明 书CN 102509901 A 5/8页 8 0040 3)波控指令通过波控接口输入相控阵收/发组件，各路收/发组件对调制有基带 数据的微波信号，依据波控指令进行移相/衰减即相位和幅值控制、再经功率放大后，分别 馈给对应的天线子阵，形成数字波束； 0041 4)数字波束实时跟踪。
30、车辆前行，如果车辆到了第三地感线圈，自动收费流程还没 有结束，通讯控制模块继续计算更新车辆位置、速度和波控指令，直到数字波束移动到栏杆 跟前为止； 0042 5)前车自动收费流程完成后，通讯控制模块跟据地感线圈接口信号判断第二辆车 位置和行驶速度，通过相控阵波束控制算法，实时计算出对应第二辆车位置的移相器和衰 减器控制指令，数字波束指向第二辆车前部，重复前辆车的自动收费流程。 0043 前述波控指令即是给相位器、衰减器的串行控制指令，相控阵波束指无线扫描波 束，相控阵波束的控制也就是相位和幅值的衰减控制，算法就是能获得准确无线扫描波束 的控制算法。 0044 基带是指信源(信息源，也称发终端)。
31、发出的没有经过调制(进行频谱搬移和变 换)的原始电信号所固有的频带(频率带宽)，称为基本频带，简称基带，本发明中是指载波 用的5.82GHz的射频信号，在基带里调制有收费的数字信息以后和OBU交换。 0045 FLASH是可擦写存储器，它把应用程序写入后和CPU一起能执行应用程序。 0046 PLL即指锁相环，用来统一整合时脉讯号，使内存能正确的存取资料 0047 HDLC(H igh LevelData Link Contro)一种通讯协议。 0048 DSRC专用短程通信通讯协议。 0049 下面是更详细的本发明发射天线阵与由天线子阵构成的接收天线阵即收/发天 线阵的基本组成及波速扫描原理。
32、。 0050 1、收/发天线阵：本发明以1x6微带天线子阵作为ETC专用天线的基础结构。由 4个子阵构成4x6微带天线阵列。4个子阵的激励相位和激励幅度分别可控制调节，实现一 维数字波束扫描。 0051 2、微带贴片天线基本原理：微带天线是在一个薄介质基材上，一面为金属箔层作 为接地板，另一面光刻腐蚀出一定形状的金属贴片，利用微带线和轴线探针对贴片馈电，这 就构成了微带天线。由若干贴片按一定规则排列和馈电则构成微带天线阵。若贴片馈电的 相位和强度可实时调节控制，则构成相控阵天线。 0052 3、微带贴片天线形状：贴片形状多种多样，常用的形状是矩形或圆形贴片。调整馈 电方式和贴片形状可实现天线的。
33、不同极化方式，如线极化或圆极化。本发明中采用矩形微 带贴片，并通过对角线切角技术实现圆极化，以满足ETC专用天线的极化指标要求。 0053 4、微带天线的分析方法：微带天线进行工程设计时，要对天线的性能参数(例如 方向图、方向性系数、效率、输入阻抗、极化和频带等)预先估算，这将大大提高天线研制的 质量和效率，降低研制的成本。这种理论工作的开展，带来了多种分析微带天线的方法，例 如传输线、腔模理论、格林函数法、积分方程法和矩量法等。用上述各种方法计算微带天线 的方向图，其结果是一致的，特别是主波束。本发明利用微带传输线基本理论、微带贴片天 线谐振原理以及史密斯圆图理论知识对此微带阵列天线进行分析。
34、。 0054 5、阵列天线原理：阵列天线的定义是一类由不少于两个天线单元规则或随机排 列，并通过适当激励获得预定辐射特性的特殊天线。采用多个单元组成一个天线与单个全 说 明 书CN 102509901 A 6/8页 9 向天线单元相比，具有更强方向性的总辐射图。就目前天线通信知识和技术的迅速发展，以 及国际上对天线的诸多研究方向的提出，都促使了新型天线的诞生，阵列天线就是研究的 一种方向。就发射天线来说，简单的辐射源比如点源、对称振子源是常见的构成阵列天线的 辐射源，它们按照直线或者更复杂的形式，根据天线馈电电流，间距，电长度等不同参数来 构成阵列，以获取最好的辐射方向性。可以根据需求，按某种。
35、规律调节辐射方向和强度，由 此产生出了诸如现代移动通信中使用的智能天线、相控阵天线等。在不久的将来，这些高技 术含量的天线将会带给我们同样高质量的通信环境。本发明中通过综合考虑所要实现的微 带阵列天线的各项性能参数要求，并尽可能的减小天线整体尺寸，决定采用4x6(共24个单 元)阵列天线，来实现高效率高性价比ETC系统的应用需求。 0055 6、阵列单元幅值加权原理：同一组物理阵列单元可以形成不同的天线辐射图，这 样可以允许接收器调整主波束方向与增益，以及有效控制旁瓣电平大小，从而实现正确的 信号接收。这也使得在生产这类天线时，一种天线尺寸可以适用于多种用途。即可以建立 一个基本的单元结构，单。
36、元形成的辐射图可以由用户通过调整单元激励的方式来改变辐 射图的形成。实现加权的方法主要有两种：一种是通过在单元输入链路上引入射频信号 增益控制器(比如，增益可调放大器或可编程信号衰减器等)；另一种是通过馈电网络实 现按照不同比例进行功率分配。加权的主要算法：常用的加权算法有切比雪夫分布函数 (Chebyshev)、泰勒分布函数(Taylor)以及余弦分布函数(Cosine-on-pedestal)等。本发 明中决定首先采用泰勒级数分布函数对微带天线子阵中的6个贴片和4个子阵进行幅值加 权，通过严谨的阻抗匹配及馈电方式，合理分配各个单元的输入功率，以达到提高天线主波 瓣方向增益，改善天线的方向性。
37、，降低旁瓣电平幅值的目的。 0056 7、微带阵列天线仿真：常用的仿真方法包括遗传算法、神经网络、有限元分析法以 及时域有限差分法等。随着电磁场商用仿真软件的快速发展，出现了以Ansoft HFSS、CST Studio、IE3D以及ADS Momentum等很多优秀的仿真工具。通过对这些商用软件的灵活使 用，可以提高天线电磁仿真的准确性，并有效降低仿真工作所需要的时间，从而大大缩短研 发时间，节约开发成本. 0057 8、相控阵天线基本原理：即是相控阵波束控制算法的原理，其中控制算法公式： dsin /2，通过这个公式能获得准确无线扫描波束的控制算法。 0058 如图6-7，相控阵天线是通过。
38、控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变方向图 形状的天线。控制相位可以改变天线方向图最大值的指向，以达到波束扫描的目的。在特 殊情况下，也可以控制副瓣电平、最小值位置和整个方向图的形状，例如获得余割平方形方 向图和对方向图进行自适应控制等。 0059 在图6中，显然波束偏转角度与移相器移相值存在下列表达式关系：dsin /2 0060 其中：为波束偏转角度单位：弧度； 0061 为移相器移相值单位：弧度； 0062 d为子阵间的间距单位：mm； 0063 为波长单位：mm。 0064 衰减器的赋值的计算，为了拟制旁瓣的电平按照泰勒分布函数(Taylor)加权计 算衰减器的赋值。 说 明 书CN。
39、 102509901 A 7/8页 10 0065 用机械方法旋转天线时，惯性大、速度慢，相控阵天线克服了这一缺点，波束的扫 描速度高。它的馈电相位一般用电子计算机控制，相位变化速度快(毫秒量级)，即天线方 向图最大值指向或其他参数的变化迅速。这是相控阵天线的最大特点。在天线体积和重量 都很大的情况下，应用相控阵天线比较方便。一般为了节省移相器和简化控制线路，有时几 个辐射单元共用一个移相器。共用一个移相器的单元组合称为子阵。 0066 相控阵天线的关键器件是移相器和天线辐射单元。移相器分连续式移相器和数字 式移相器两种。连续式移相器的移相值可在0360范围内连续变化，数字式移相器的 移相值是。
40、离散的，只能是3601/2n度的整数倍，式中n是数字式移相器的位数。例如3位 数字式移相器的移相值只能是45、90、135、180、225、270、315和360。移 相器应保证在一定的频率范围内获得所需要的移相值，同时还需要满足一定的耐功率和温 度稳定性等要求，以保证相控阵天线能在不同频率上和在变化的环境条件下正常工作。 0067 天线辐射单元的设计应使一定移相范围内(或波束扫描范围内)和一定频率范围 内的输入阻抗的变化尽可能小，以保证发射机正常工作，防止由于射频信号的多次反射而 出现寄生副瓣和方向图中出现凹点(盲点)的现象。为此，可采用互耦小的单元或采取专 门的去耦措施。 0068 馈电方。
41、式：相控阵天线的馈电方式分传输线馈电和空间馈电两种。在传输线馈电 方式下，射频能量通过波导、同轴线和微带线(见微带线和类微带线)等微波传输线馈电给 辐射单元。移相器置于微波传输线路内。在空间馈电方式下，发射机产生的射频能量通过辐 射装置辐射至自由空间，传输一段距离后由一个接收阵接收，接收阵的每个单元或一组单 元所接收到的信号，经过移相器移相后再馈给发射阵的发射单元并辐射出去。在这种情况 下，移相器位于发射阵和接收阵之间。空间馈电的馈电线路简单，但需要增加一个接收阵。 传输线馈电的馈电线路复杂。 0069 设计：相控阵天线阵列本身的设计主要是幅度、相位分布设计和单元阻抗设计。阵 列尺寸由波束宽度。
42、最窄时的宽度值和副瓣电平决定。相位分布主要根据波束要求而定。由 于单元方向图和阻抗的限制，通常平面相控阵最大扫描范围为60的圆锥，加上一个球 罩透镜后也可得到半球扫描。 0070 若仅要求方向图最大值在空间移动(扫描)，只需要形成线性变化的相位分布。这 时方向图的最大值方向垂直于等相位面。使用数字式移相器时，除了几个特殊角度以外，一 般得不到精确的线性相位分布。这时在方向图的某些方向上会出现寄生副瓣，其大小与具 体的相位分布规律有关。为了满足特殊要求，则需要采用方向图综合法，事先算出所需的阵 面相位分布。例如，可以将阵面分成若干个区域，把每一区域都看成独立的阵面来设计这个 阵的方向图，这样就能。
43、在空间得到多个同时存在的波束，也可以利用特殊的相位分布使方 向图变宽或形成余割平方形方向图。 0071 为了简化馈电结构，有些相控阵天线是等幅度的。为了克服等幅分布时副瓣电平 高的缺点，可采用密度加权，即有源辐射单元在阵面上的分布是不均匀的，其分布密度按一 定的规律变化。在有源辐射单元的边上放置不馈电的无源辐射单元，以改善辐射单元的阻 抗特性。 0072 相控阵天线辐射单元的数量多，当失效单元数在5以下时对天线阵性能的影响 不大，因而可靠性较高。 说 明 书CN 102509901 A 10 8/8页 11 0073 随着微波集成电路技术的发展和新型移相器的出现，相控阵天线的成本正不断下 降，。
44、体积越来越小，重量也在进一步减轻。 0074 本发明中首先利用微带贴片天线原理估算出贴片尺寸，并通过切角以实现圆极化 要求，再通过泰勒级数分布函数计算出微带阵列天线24个独立辐射单元的幅值加权大小， 再利用Ansoft HFSS仿真软件进行仿真并优化。 说 明 书CN 102509901 A 11 1/4页 12 图1 图2 说 明 书 附 图CN 102509901 A 12 2/4页 13 图3 图4 说 明 书 附 图CN 102509901 A 13 3/4页 14 图5 图6 说 明 书 附 图CN 102509901 A 14 4/4页 15 图7 说 明 书 附 图CN 102509901 A 15 。