一种应用于ETC终端信息采集系统的微带相控阵天线技术方案

本发明专利技术公开了一种应用于ETC终端信息采集系统的微带相控阵天线，包括三部分，第一部分为由射频开关、交叉器、功分器组成的馈电网络，用于为Butler矩阵不同端口分配不同功率和相位的信号，并在开关切换时将信号输入到指定端口；第二部分为改进的Butler矩阵组成的波束形成网络，用于产生所需相位的信号并输入到指定的天线单元；第三部分为天线阵列，天线单元采用具有90°相位差的双辐射片设计；天线安装于中间车道中线正上方，天线法线方向的投影在中央车道中线上。本发明专利技术可以解决波束扫描与车道识别，提高识别距离与识别成功率等技术问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无线通信
，特别涉及应用于ETC终端信息采集系统的基于新型Butler矩阵技术的微带相控阵天线。
技术介绍
传统的4×4Butler矩阵，当分别从不同的端口输入时，相邻输入端口可以产生±45°，±135°的相位差。通过微波开关可实现波束指向控制。传统Butler矩阵具有以下缺点：1、没有0°，无法形成边射阵。2、±135°相位会引入过大的旁辦，不利于系统实现。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种应用于ETC终端信息采集系统的微带相控阵天线，以解决波束扫描与车道识别，提高识别距离与识别成功率等技术问题。为了实现上述专利技术目的，本专利技术所采用的技术方案如下：一种应用于ETC终端信息采集系统的微带相控阵天线，包括三部分，第一部分为由射频开关、交叉器、功分器组成的馈电网络，用于为Butler矩阵不同端口分配不同功率和相位的信号，并在开关切换时将信号输入到指定端口；第二部分为改进的Butler矩阵组成的波束形成网络，用于产生所需相位的信号并输入到指定的天线单元；第三部分为天线阵列，天线矩阵采用具有90°相位差的双辐射片设计；天线安装于中间车道中线正上方，天线法线方向的投影在中央车道中线上；Butler矩阵包括耦合器、固定移相器，采用具有180°移相的功分器替代了一路耦合器，并在输入端加入了为了避免微带线穿层的交叉器，将4路Butler矩阵扩展为8路，即产生8路±90°和0°相位差的三路信号，以控制三个波束方向；产生8路具有等相位差的信号，首先，将四路Butler矩阵复制、翻转放置；然后将输入信号等分为具有180°相位差的信号，分别馈入Butler矩阵的输入端，即1L为+90°相位差输入信号，2L为-90°相位差输入信号，3L为0°相位差输入信号，1R为+90°相位差输入信号，1R与2L一致，但经过镜像对折后，相位差为-90°，2R为-90°相位差输入信号，3R为0°相位差输入信号；当端口1输入时，相位差为-90°，端口2输入时，相位差为+90°，端口3输入时，相位差为0°；如果经端口1输入，其能量只能由端口4输出；端口2、3没有能量，信号由端口1输入，经过网络后，会被分为等幅、相位差为180°的两路信号，分别馈入Butler矩阵1、2的端口1，进而产生八路具有等相位差的信号。本专利技术的优点与积极效果如下：本专利技术通过采用改进的Butler矩阵作为波束形成网络构成了3方向圆极化微带相控阵天线，成功实现了波束扫描与车道识别，不仅提高了识别距离与识别成功率，丰富了ETC终端信息采集系统检测功能，并且由于移相功分馈电网络使用微带线技术，相比于数字移相器方案，大大降低了系统建设成本。与传统Butler矩阵方案相比，改进的Butler矩阵方案有以下优点：1)±90°相位差与±135°相位差相比，天线旁瓣较小。2)0°相位差可以控制边射阵，能量集中在中心，增益值高。附图说明图1是本专利技术的ETC终端采集信息系统微带相控阵天线扫描流程图。图2是本专利技术的Butler矩阵的相控阵天线的系统框图。图3是本专利技术的Butler矩阵原理图。图4是本专利技术的天线单元结构示意图。具体实施方式本专利技术以标准的单向3车道作为高速公路自由流环境下的典型应用场景，结合当前ETC系统衰减裕量，确定相控阵天线部分设计参数。根据《公路工程技术标准JTGB01-2014》标准规定，单个车道宽度为3.75米，三条车道跨度为11.25米。在检测断面设置一座净高大于5.5米的龙门架。每条车道内车辆均沿车道中线行驶。相控阵天线安装于中间车道中线正上方，天线法线方向的投影在中央车道中线上。按照上述应用应用场景设计指标，参考GB/T20851–2007《电子收费专用短程通信》,确定ETC相控阵天线技术指标如表1所示。参见图1所示。由于天线互易原理，发射机与接收机通过一个环形器共用天线阵。发射机与接收机负责基带信号的DSRC通信协议控制，编码/解码，调制/解调，上变频/下变频，除此之外，还负责与波控模块实现同步，控制相控阵天线实现多车道波束扫描。该相控阵天线采用厚度为0.8mm(铜厚不算在内)，介电常数为2.65的聚四氟乙烯(F4B)作为介质板。天线单元为方形倒角圆极化天线，宽度为15.2mm，切角为边长2.49mm的等边三角形，天线单元采用具有90°相位差的双辐射片设计。将馈源经过等比例功分器分为两路等幅、相位差为90°的信号。此技术可以较大程度上提升天线轴比带宽。基于Butler矩阵的相控阵天线，其原理如图2所示。基于Butler矩阵的相控阵天线由三部分组成。第一部分为由射频开关、交叉器、功分器组成的馈电网络，用于为Butler矩阵不同端口分配不同功率和相位的信号，并在开关切换时将信号输入到指定端口。第二部分为改进的Butler矩阵组成的波束形成网络，用于产生所需相位的信号并输入到指定的天线单元。第三部分为天线阵列。为了克服传统Butler矩阵存在的不足，本专利技术改进的Butler矩阵方案。通过合理设计，产生8路±90°和0°相位差的三路信号，以控制三个波束方向。传统方案中Butler矩阵由耦合器、固定移相器组成。在本专利技术方案中，由于天线设计具备3个波束指向，且为了将4路Butler矩阵扩展为8路，故采用具有180°移相的功分器替代了一路耦合器，并加入了交叉器。Butler矩阵原理图如图3所示。改进的Butler矩阵原理图，首先，将四路Butler矩阵复制、翻转放置；然后将输入信号等分为具有180°相位差的信号，分别馈入Butler矩阵的输入端。这样就会产生八路具有等相位差的信号。1L为+90°相位差输入信号，2L为-90°相位差输入信号，3L为0°相位差输入信号；1R为+90°相位差输入信号(1R虽然与2L一致，但经过镜像对折后，相位差为-90°)，2R为-90°相位差输入信号，3R为0°相位差输入信号。如图3所示，当端口1输入时，相位差为-90°，端口2输入时，相位差为+90°，端口3输入时，相位差为0°。交叉器的作用是为了避免微带线穿层。特定频率的射频信号，如果经端口1输入，其能量只能由端口4输出；端口2、3没有能量。交叉器的信号由端口1输入，经过图3的网络后，会被分为等幅、相位差为180°的两路信号，分别馈入Butler矩阵1、2的端口1。这样就会产生八路具有等相位差的信号。输入端引入交叉器，一方面，消除了另外两路对工作路的影响；另一方面，空载的两路不用另外加载50Ω电阻，使用一个开关便可以控制三路信号的切换，大大减少器件个数。Butler矩阵输入网络，整版采用双层板设计，大大降低了板材加工的成本。此方案开关电源可能对射频信号干扰较大。必须对电源线进行完整的包地。采用在射频线与电源线之间加载短路过孔的方式实现。隔离过孔由于芯片引脚宽度为0.25mm，板材50Ω微带线宽度为2.14mm，两者相差过大，不能直接连接，否则会产生阻抗突变。在保证阻抗带宽的前提下，采用两段半波长阻抗变换线调整传输线阻抗，使得传输线在整条链路上阻抗匹配。阵列天线，主要包括阵元设计及阵列天线设计两部分。阵列天线设计得阵列间距d调整为45mm，原因是Butler矩阵只能控制90°相位差，不能生成其他的相位差。因此调整d来调整波束方向。天线单元的设计，微带天线首先要选择介本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用于ETC终端信息采集系统的微带相控阵天线，其特征在于，包括三部分，第一部分为由射频开关、交叉器、功分器组成的馈电网络，用于为Butler矩阵不同端口分配不同功率和相位的信号，并在开关切换时将信号输入到指定端口；第二部分为改进的Butler矩阵组成的波束形成网络，用于产生所需相位的信号并输入到指定的天线单元；第三部分为天线阵列，天线单元采用具有90°相位差的双辐射片设计；天线安装于中间车道中线正上方，天线法线方向的投影在中央车道中线上；Butler矩阵包括耦合器、固定移相器，采用具有180°移相的功分器替代了一路耦合器，并在输入端加入了为了避免微带线穿层的交叉器，将4路Butler矩阵扩展为8路，即产生8路±90°和0°相位差的三路信号，以控制三个波束方向；产生8路具有等相位差的信号，首先，将四路Butler矩阵复制、翻转放置；然后将输入信号等分为具有180°相位差的信号，分别馈入Butler矩阵的输入端，即1L为+90°相位差输入信号，2L为‑90°相位差输入信号，3L为0°相位差输入信号，1R为+90°相位差输入信号，1R与2L一致，但经过镜像对折后，相位差为‑90°，2R为‑90°相位差输入信号，3R为0°相位差输入信号；当端口1输入时，相位差为‑90°，端口2输入时，相位差为+90°，端口3输入时，相位差为0°；如果经端口1输入，其能量只能由端口4输出；端口2、3没有能量，信号由端口1输入，经过网络后，会被分为等幅、相位差为180°的两路信号，分别馈入Butler矩阵1、2的端口1，进而产生八路具有等相位差的信号。...

【技术特征摘要】
1.一种应用于ETC终端信息采集系统的微带相控阵天线，其特征在于，包括三部分，第一部分为由射频开关、交叉器、功分器组成的馈电网络，用于为Butler矩阵不同端口分配不同功率和相位的信号，并在开关切换时将信号输入到指定端口；第二部分为改进的Butler矩阵组成的波束形成网络，用于产生所需相位的信号并输入到指定的天线单元；第三部分为天线阵列，天线单元采用具有90°相位差的双辐射片设计；天线安装于中间车道中线正上方，天线法线方向的投影在中央车道中线上；Butler矩阵包括耦合器、固定移相器，采用具有180°移相的功分器替代了一路耦合器，并在输入端加入了为了避免微带线穿层的交叉器，将4路Butler矩阵扩展为8路，即产生8路±90°和0°相位差的三路信号，以控制三个波束方向；...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵佳海，
申请(专利权)人：交通运输部公路科学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11