5.8GHz天线优化:口径耦合馈电显威力

分享到:

ETC系统,作为一种全自动的电子化收费方式,显著提升了道路通行效率,减少了拥堵现象,并有效节约了用地资源和实现了节能减排。这一系统通过无线通信实现车辆与收费站之间的信息交互,其中,天线在车载单元(OBU)中扮演着关键角色。

在设计ETC系统的天线时,我们需要考虑多个因素,包括天线的小型化、宽频带特性以及圆极化性能。传统的单贴片微带天线虽然结构简单,但其圆极化带宽通常很窄,难以满足实际应用需求。为了解决这个问题,我们可以采用微带天线阵技术来拓宽带宽,但这会增加天线的结构复杂性。

ETC

为了在满足性能要求的同时简化天线结构,文章提出了一种基于单贴片的圆形微带天线的交叉口径耦合馈电方式。这种馈电方式不仅易于产生圆极化波,而且在阻抗匹配和频带宽度方面都能达到较为理想的效果。通过精心的设计,我们成功设计出了一款符合ETC系统要求的天线模型,它兼具小型化、宽频带以及良好的增益特性。天线模型能够稳定、可靠地实现车辆与收费站之间的无线通信,确保ETC系统的正常运行。同时,其小型化的设计使得天线能够轻松集成到车载单元中,不会对车辆的外观和使用造成任何影响。

口径耦合馈电无需焊点,这意味着馈电部分更为简洁,减少了潜在的故障点。更重要的是,这种馈电方式提供了更多的可调参数用于阻抗匹配,使得天线设计更为灵活,能够适应更广泛的工作场景。口径耦合馈电的馈电结构和辐射贴片采用的基片是彼此分离的。这意味着我们可以独立地选择不同的介质材料和介质厚度,以满足馈电结构对辐射贴片的特殊需求。这种独立性使得天线设计更为精确,能够更好地满足特定的性能要求。

调整耦合缝隙的长度或者微带馈线开路端的长度,我们可以比其他馈电方式更容易地与辐射贴片达到阻抗匹配。这意味着天线的性能更为稳定,能够在更宽的频带范围内保持良好的工作性能。巧妙地利用了馈电结构和辐射贴片基片彼此分离的特点,采用介电常数较低、厚度较大的辐射基片来降低天线的Q值。这样做可以有效地展宽天线的带宽,使其在更宽的频率范围内都能有效工作。在天线设计中,接地板的作用也不可忽视。它可以有效地屏蔽来自馈线的寄生辐射,避免其对天线上半部分的辐射方向图产生干扰。这保证了天线的辐射性能更为纯净、稳定。

设计的天线模型结构紧凑、合理。辐射贴片采用圆形设计,下方为空气介质层或介电常数相近的泡沫等材料填充,保证了天线的结构牢固度和抗冲击性。接地平面开出十字型耦合槽,使得馈电更为高效、稳定。馈电基片和微带馈线的设计也充分考虑了阻抗匹配和输入阻抗的需求,保证了天线的整体性能。

基于有限元法的Ansoft公司的HFSS软件进行仿真设计,通过仿真,我们可以得到天线的各种性能参数,如S11散射参数、轴比、远场方向图以及增益等,从而全面评估天线的性能。从S11散射参数图可以看出,天线在5.8GHz频率处实现了谐振。在这个频率点,S11散射参量的最低值达到了-33dB,这是一个非常低的值,说明天线在这个频率点匹配良好,能量传输效率较高。此外,VSWR 2的阻抗带宽值约为6.9%,这意味着在一定频率范围内,天线都能保持良好的匹配性能。

轴比图显示,天线的圆极化带宽在轴比小于3dB的条件下约为3.8%。圆极化是天线的一个重要特性,它使得天线在接收或发射信号时能够减少多径效应的影响,提高通信质量。天线的远场方向图及增益进一步揭示了天线的辐射特性。在边射方向上(θ=0°),天线的最大增益为7.6dB,这意味着天线在这个方向上具有较强的辐射能力。远场方向图则展示了天线在不同方向上的辐射强度分布,有助于我们了解天线的辐射模式和覆盖范围。

 

对于线极化贴片天线而言,Himdi提出的传输线模型是一个非常实用的工具。这一模型将天线的复杂电磁行为简化为传输线的形式,使得我们可以更容易地理解和分析天线的性能。在线极化的情况下,单个缝隙被用来进行口径耦合,这种方法已经被证实是有效的。考虑圆极化天线时,情况变得稍微复杂一些。为了实现圆极化,我们需要激励出两个相互正交的线极化模。这里,通过将十字缝隙看作是两个互相垂直的单独缝隙,我们可以将天线等效为两个互相正交的线极化天线。这样,我们就可以利用前面提到的传输线模型来分析这两个正交的模。

微带贴片天线中,这两种模可以被独立地分析。这意味着我们可以分别考虑每个缝隙对天线性能的影响,从而更精确地控制天线的行为。天线等效传输线模型中,R代表贴片天线的半径,RP+XP表示天线的辐射阻抗,ZCP是贴片的特性阻抗,而γ是传输常数。特别值得注意的是,ZP是由天线的耦合缝隙决定的,这反映了缝隙对天线性能的关键影响。

我们还引入了缝隙的特性阻抗z和波数k来分析缝隙的电磁特性。两个缝隙各自的总导纳可以通过一系列公式来计算,这些公式考虑了贴片和缝隙之间的阻抗转化率。为了实现圆极化,我们需要调整十字缝隙的长度。通过改变缝隙的长度,我们可以激励出两个相近的谐振模式。为了得到圆极化,这两个模式需要满足两个条件:一是幅度相近,二是相位相差90度。通过调整缝隙L1和L2的相对长度,我们可以控制这两个模式的幅度和相位关系,从而实现左旋或右旋的圆极化。

在天线基片介质的选择方面,我们知道微带贴片天线本质上是一个漏波谐振腔,虽然它有较强的辐射能力,但它的品质因数Q值依然相对较高。为了降低这个Q值,我们需要选择介电常数较低且厚度较厚的介质材料。而对于馈电基片,较薄的基片能有效减少来自馈线的伪辐射。在本例中,由于我们采用了口径耦合馈电方式,因此可以根据实际需求分别选择辐射基片和馈电基片的介质。但需要注意的是,辐射基片的介质厚度不能过厚,否则可能会激发不必要的高次模和伪辐射,通常其最大值应控制在0.052λ以内。

耦合缝隙的宽度对天线整体性能的影响相对较小,但它可以用于调节天线的阻抗匹配。当增加天线辐射基片的厚度时,通常也需要适当加大缝隙的宽度以增强耦合度。根据研究,天线对缝隙宽度的变化并不十分敏感,一般使其小于缝隙长度的十分之一即可。在实际应用中,可以根据具体情况进行选择。在本天线设计中,为了获得更好的匹配效果,我们尝试减小缝隙的宽度,但考虑到制作的方便性,最终将其定为1mm。

馈线开路端长度的选择是指馈线开路端到其中心点的距离,它主要用于调节口径耦合天线的电抗。为了实现贴片天线与馈线之间的最优化阻抗匹配,通常选择馈线开路端长度为四分之一波长。此外,这个长度的变化也会轻微影响天线的谐振频率,因此在天线设计过程中,我们可以在保证阻抗匹配的前提下,利用这一特性对天线的频率进行微调。

ETC系统中,OBU(车载单元)扮演着至关重要的角色。OBU中的天线性能直接影响到ETC系统的通信质量和效率。因此,针对OBU单元设计一种高效且性能稳定的天线至关重要。十字缝隙口径耦合馈电的右旋圆极化微带天线结构紧凑小巧,非常适合在OBU这样的有限空间内安装。同时,其结构特点使得它拥有众多可调参数,这为天线的设计提供了很高的自由度。通过精心调整这些参数,我们可以实现对天线性能的精准控制。

天线的设计考虑了宽频带和高增益的需求,宽频带意味着天线可以在更宽的频率范围内保持稳定的性能,这对于ETC系统来说非常重要,因为不同的应用场景可能需要不同的通信频率。而高增益则意味着天线可以更有效地收集和发射信号,从而提高通信质量。为了实现这些性能要求,我们对天线的馈电网络进行了等效模型的分析。通过对馈电网络的深入研究,我们找到了优化天线性能的关键点,并据此调整了天线的各项参数。最终,我们成功地设计出了一款性能优异的天线,它不仅能够满足ETC系统的需求,还具有一定的通用性,可以应用于其他类似的通信系统中。

继续阅读
5.8GHz天线优化:口径耦合馈电显威力

ETC系统,作为一种全自动的电子化收费方式,显著提升了道路通行效率,减少了拥堵现象,并有效节约了用地资源和实现了节能减排。这一系统通过无线通信实现车辆与收费站之间的信息交互,其中,天线在车载单元(OBU)中扮演着关键角色。

在众多技术脱颖而出的RFID,和ETC有什么关系?

无线射频识别技术(Radio Frequency Identification,RFID)是 20 世纪 90 年代开始兴起的一种自动识别技术。该技术是一种非接触的自动识别技术,其基本原理是利用射频信号和空间耦合(电感或电磁耦合)传输特性实现对被识别物体的自动识别。其核心技术包括无线电射频、计算机软件硬件、编码学和芯片加工技术等多种现代高新科学技术,是多种跨门类科学技术的综合体。被广泛应用于工业自动化、商业自动化、现代服务业、交通运输控制管理等众多领域。

门禁系统中RFID与ETC两种新兴技术

如今,绝大多数的门禁系统(包括车库门禁和楼宇门禁)仍然在使用高频射频卡进行管理。目前车库门禁系统和楼宇门禁系统在使用过程中存在如下一些问题。

ETC停车的未来

2016年8月30日,在 “未来城市交通管理技术论坛暨第二届(华南)城市智能交通发展论坛”上,金溢科技首席专家鲁骏向广大参会嘉宾分享了金溢科技对ETC停车的未来构想。

我国基于RFID技术或ETC技术平台的路径识别产品市场分析

近年来,随着我国高速公路规模日益扩大,路网情况也越来越复杂,形成了公路环环相扣、错综复杂的情况,进而产生多义性路径问题。车辆在高速公路选择路径的不确定性,给如何确认车辆的行驶路径及如何计算通行费用带来困难。基于RFID技术或ETC平台的路径识别产品可以有效解决高速公路多义性路径带来的车辆路径选择及通行费用计算分拆等问题。