代玲玉1，张立华2
1. 武汉理工大学电信系，武汉（430070）
2. 总装驻3303厂军事代表室，武汉（430200）
E-mail：
摘要：本文介绍了几种常用的天线，简要分析微带贴片天线工作原理，设计一种适用于ETC系统的工作在5.8GHz的微带二元贴片天线阵列。并通过Ansoft HFSS V9.2软件仿真分析，结合Smith V2.0进行阻抗匹配，得到天线的方向图、输入阻抗以及S参数，仿真结果较好，为实际天线制作与测试提供十分有价值的参考信息。 关键词：ETC系统；5.8GHz；微带二元天线阵；Ansoft HFSS V9.2；Smith V2.0
1 引言
随着社会的高速发展，交通阻塞、拥挤现象日趋严重，各国家利用电子、通信等高新技术来改造现有道路运输系统和管理体系，依此来大幅度提高路网通行能力和服务质量。
ETC(Electronic Toll Collection)即电子不停车收费系统，是一种用于道路、大桥和隧道的电子收费系统。使用该系统，车主通过收费站时不需要停车，耗时不到两秒，该收费通道的通行能力是人工收费通道的5到10倍。
ETC系统通过安装于车辆上的车载装置和安装在收费站车道上的天线之间进行无线通信和信息交换。车辆自动识别技术是其中最重要的技术，采用工作波段在5.8GHz的微波非接触式ID卡来完成识别工作，而天线是实现该项技术的重要元件。其中采用Ansoft HFSS
V9.2软件对所需天线进行仿真设计可以直观地看到天线的特性，减少很多工作量，进而更快更准确地设计出符合实际需求的天线[1]。
2天线
天线的作用是把传输结构上的导波转换成自由空间波。IEEE官方对天线的定义：“发射或接收系统中，经设计用于辐射或接收电磁波的部分。”时变的电流和被加速的电荷都可以产生辐射，辐射产生的电磁能量能够在空间中传播。天线能够定向辐射和接收电磁能量[2]。 天线按照工作性质可以分为发射天线和接收天线；按照用途可以分为通信天线、雷达天线、广播天线和电视天线等；按照波段可以分为长波天线、中波天线和短波天线等。一般常见的天线结构为县天仙
、环天线、（反射）面天线、喇叭天线、介质天线、微带天线和裂缝天线等，如图1所示。为了实现特定的工程任务，天线经常也组成天线阵列。
线天线环天线微带天线
喇叭天线 反射面天线 裂缝天线
图1 部分天线的形式
在天线的分析和设计中，主要的性能参数：
方向图：天线的空间辐射（或接收）在不同方向是不同的，可以用方向性函数),(ϕθf 来描述。根据方向性函数绘制的天线辐射（或接收）场强-振幅-方向三维特性的图形简称为方向图。工程上也常采用两个相互正交主平面上的剖面图来描述天线的方向性，一般为俯仰面和水平面方向图。
方向性系数：发射天线的方向性系数表征天线辐射的能量在空间分布的集中能力，定义为相同辐射功率情况下，天线在给定方向的辐射强度与平均辐射强度之比：
2
02),(),(E E D ϕθϕθ= 式（1） 式中，),(ϕθE 是该天线在),(ϕθ方向某点产生的场强；0E 是全方向电源天线在同一点产生的场强。一般情况下所关心的均为最大辐射方向的方向性系数。
接收天线的方向性系数表征天线从空间接收电磁能量的能力，即在相同来波场强的情况下，天线在某方向接收时向负载输出的功率与点源天线在同方向接收时向负载输出的功率之比。
发射天线的方向性系数和接收天线的方向性系数虽然在定义上不同，但数值上是一样的。
增益：如果将式（1）定义的方向性系数中的辐射功率改为天线的输入功率，即考虑天线本身的能量转换效率，则该定义称为增益。
输入阻抗：天线的输入阻抗定义为输入端电压和电流之比。接到发射机和接收机的天线，其输入阻抗等效为发射机或接收机的负载，表征了天线与发射机或接收机的匹配状况，体现了导行波和辐射波之间能量转换的好坏。
极化：天线的极化性质就是天线辐射的电磁波的极化特性。
带宽：每个天线都有其中心工作频率，在偏离中心工作频率时，天线的某些电性能（输入阻抗或增益等）将会下降，电性能下降到允许值的频率范围，就称为天线的带宽。其表示方法有两种：一是绝对带宽，是指天线实际工作的频率范围；另一种是相对带宽，是绝对带宽与中心频率之比[3]。
3微带贴片天线及微带阵
印制天线是用印制电路制造工艺构建的，其一部分金属层是起辐射作用的。微带天线贴片与贴片阵是印制天线的最普通的形式，由于微带天线的体积小，重量轻，便于集成等优点，在各种无线通信中得到了人们的大力推广和应用，导弹上面的平面螺旋天线，军用头盔共形微带天线，卫星通信中的微带天线，及用微带贴片天线组成阵列天线在雷达上的应用。
微带装置的最简单形式是一个叠层结构，一层薄介质基片将两个平行导体面分开，下导体与地面的作用相同。如果上面的金属是长窄带，就能构成微带传输线。微带天线属于谐振天线类，其设计的主要挑战——获得适当的带宽。典型使用频率是1GHz-100GHz 。设计一个贴片，既具有延伸到空间的束缚场，同时又能将场紧束缚于馈电电路，最好达到高的辐射效率、预期的方向性、阻抗以及带宽。
常用的微带天线是由微带传输线馈电的矩形贴片。在导体贴片和接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片与接地板间的缝隙向外辐射，因此微带天线也可看作为一种缝隙天线。如图2所示，贴片尺寸为W×L，介质基板厚度为h,r ε介质基板介电常数。提高介电常数有利于减小天线尺寸，但过高会限制缝隙的辐射场，降低辐射效率，并使带宽变窄，增加介质板厚度可以提高天线增益。适当提高介电常数和介质板厚度可以提高天线的辐射功率，且对输入阻抗基本没有影响。
图2 矩形微带贴片天线
微带贴片也可看成宽为W，长为L 的一段微带传输线，一般取
2/g L λ≈ 式（2） 其中r g ελλ/
= ，g λ是微带线上的波长,λ是自由空间的波长。
微带线的馈线可以有多种方式，如同轴馈线，微带馈线和耦合馈线。矩形贴片的馈电沿着贴片中心的E 面，如图3所示。这样可以避免激发与所需模式正交的第二个谐振模而导致的过度交叉极化。可以通过微带传输线的四分之一波长匹配段，变换成边缘电贴片的阻抗，即天线的输入阻抗A Z 可以用一段四分之一波长（传输线中的波长）的传输线与传输线的特性阻抗o Z （通常是50Ω）相匹配。
该匹配段的特性阻抗由下式给出 o A o
Z Z Z =′ 四分之一波长变换器 式（3） 微带天线阵的优点是馈电网络可以与辐射源一起印制，常制作在同一层印制板上。通常这样选择阵元间隔：小于自由空间波长λ，以避免栅瓣；大于2/λ，以给馈线提供足够的空间、对给定的阵元数获得最高的增益并减小互耦[4]。
设计目的是获得最大增益，所以要求每个阵元的幅度和相位是均匀的。
4微带二元天线阵列结构设计与HFSS 仿真
4.1矩形微带天线尺寸选取 考虑各种因素，依据以上分析，选取4.4=r ε的FR4为介质基板，工作频率GHz f r 8.5=，厚度mm h 57.1=，根据式（2）取mm W L 13==，利用Ansoft HFSS V 9.2软件画出单个矩形微带天线，如图3。
图3 单个矩形微带天线 图4 史密斯圆图
4.2天线匹配网络的设计
利用HFSS V9.2对图3中的天线进行仿真运算，得到其输入阻抗为（83.880-j118.330），如图4中的点1。
根据并联馈电平面微带天线阵的特点，将特性阻抗为100Ω的微带传输线连接到贴片即可完成阻抗匹配，得到预期的50Ω输入阻抗。从图3中的单个微带天线HFSS V9.2仿真结果中可以看到：输入阻抗没有达到100Ω，这与50Ω的天线馈电系统不相匹配，天线不能够获得最大功率。用微带线法结合史密斯圆图仿真计算完成了阻抗匹配网络的设计，即分别连接5O Ω到达点2和30.4Ω的微带线到达点3。初始阵元距mm d 5.122/==λ，得到二元天线阵列，如图5。
图5 微带二元贴片天线阵列 图6方向图
经过HFSS V9.2多次仿真，调整相关参数，取阵元间距mm d 24=，最终获得天线阵的特性图，包括方向图、输入阻抗图以及S 参数图，分别如图6、图7和图8所示，可知仿真
结果能达到预期的效果。
E面和H面分别反映了天线在XOZ面和YOZ面上的增益大小。图6可知天线的对称性较好，在Z轴方向上，辐射强度达到最大值3.76。
当输入阻抗的虚部为零时，如果实部等于50Ω，则天线与馈线达到阻抗完全匹配，此时S参数可以达到很小。在5.8GHz处，输入阻抗虚部为零时，实部为50.46Ω，可知天线与馈线都可以很好的达到阻抗匹配。
S参数是在波端口处电磁波的反射功率与入射功率之比，它和阻抗匹配有关，并且决定着驻波比。绝对频带宽度定义为S参数小于-10 dB的频率范围，在该范围内天线正常工作，此时驻波比约为2。在图8中，天线阵的中心频率为5.81 GHz，产生了微小的偏移。上截止频率为5.91GHz，下截止频率为5.69GHz，绝对频带宽度为0.22GHz，相对频带宽度为3.78%，S参数最低点为-24.52 dB。
图7 Z参数图8 S参数
5结论
本文介绍了几种常用天线及主要参数，设计出工作频率在5.8GHz的单个微带贴片天线，进而完成性能更优的微带二元贴片天线阵列设计，应用于不停车收费系统ETC中完成车辆自动识别技术。其中通过Ansoft HFSS V9.2软件的仿真分析，结合Smith V2.0进行阻抗匹配，多次修改相关参数，最终得到了
较好的仿真效果图。非常直观地了解到该阵列的主要特性及优缺点，这给实际微带天线制作提供了十分有价值的参考信息，大大缩减整个天线及ETC系统的设计与测量周期。
参考文献
[1]张天瑜.基于HFSS的不同形状微带贴片天线的仿真设计[J].吉林师范大学学报（自然科学版）,2008.11,4:121-125。
[2]程敏峰.射频识别系统微带二元天线阵的设计[J].无线通信技术,2007,1:53-56。
[3]谢拥军，王鹏，李磊等.Ansoft HFSS基础及应用[M].西安：西安电子科技大学出版社.2007.8-10。
[4][美]Warren L.Stutzman Gary A.Thiele著，朱守正，安同一译.天线理论与设计[M].（第2版）.北京：人民邮电出版社,2006.197-204。
