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CN112086745A - 一种与v2x设备融合的etc天线 - Google Patents

一种与v2x设备融合的etc天线 Download PDF

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CN112086745A CN202011065300.XA CN202011065300A CN112086745A CN 112086745 A CN112086745 A CN 112086745A CN 202011065300 A CN202011065300 A CN 202011065300A CN 112086745 A CN112086745 A CN 112086745A
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Abstract

本发明提供了一种与V2X设备融合的ETC天线，包括微带阵列天线，所述微带阵列天线水平或垂直安装于V2X天线罩内，所述微带阵列天线包括介质底衬、微带传输线、功率分配器、相移分配节、阵列天线辐射贴片、射频连接器，所述微带传输线、所述功率分配器、所述相移分配节、所述阵列天线辐射贴片位于所述介质底衬上，所述射频连接器与所述微带传输线的一端连接，所述功率分配器与所述微带传输线的另一端连接，所述V2X天线罩位于车顶或类似环境，本发明的与V2X设备融合的ETC天线能与RSU天线形成最佳的电磁波收发角度，能降低邻道干扰，并完成自动扣费，使得交易更加精准。

Description

一种与V2X设备融合的ETC天线
技术领域
本发明涉及一种ETC天线，尤其涉及一种与V2X设备融合的ETC天线。
背景技术
V2X（Vehicle to everything）是基于无线通信、传感检测等技术进行车路信息获取，实现车、路、人、网的实时信息交互，进行车辆安全控制和道路协同管理，保证交通安全，提高通行效率，V2X，即车对外界的信息交换，包括V2V(Vehicle to Vehicle，车-车)、V2I(Vehicle to Infrastructure，车-基础设施)、V2P(Vehicle to Pedestrian，车-行人)、V2N(Vehicle to Network，车-网络)等方式车联网通信技术，是未来智能交通运输系统中的关键技术，信息通过WIFI、蓝牙、GNSS定位系统、移动通信（4G、5G）等无线通信制式交互，ETC是交通领域收费的主流方式，V2X设备与ETC的融合集成是目前的一个技术趋势。
ETC：( Electronic Toll Collection ) 不停车收费系统是目前世界上最先进的路桥收费方式，通过安装在车辆挡风玻璃上的车载电子标签与在收费站 ETC 车道上的微波天线之间的微波专用短程通讯，扣取用户卡上的金额或利用计算机联网技术与银行进行后台结算处理，从而达到车辆通过路桥收费站不需停车而能缴纳路桥费的目的，ETC是先进的电子收费技术，目前主要应用在匝道出入口和主线标识站，均为封闭式高速公路收费场景下的ETC应用模式，随着国家高速公路政策的改革，提供更快的通行速度和更高的通行效率己是迫在眉睫，自由流高速公路收费模式通过建设虚拟主线路侧单元站，从而具有较高的通行效率和优良的通行服务体验。
OBU：（即On board Unit的缩写），直译就是车载单元的意思，就是采用DSRC（Dedicated Short Range Communication）技术，与RSU进行通讯的微波装置，在ETC系统中，OBU放在车上，路边架设路侧单元（RSU-Road Side Unit），相互之间通过微波进行通讯，车辆高速通过RSU的时候，OBU和RSU之间用微波通讯。
RSU：是Road Side Unit的英文缩写，直译就是路侧单元的意思，在V2X系统中，安装在路侧，采用DSRC（Dedicated Short Range Communication）/C-V2X等技术，与车载单元（OBU，On Board Unit）进行通讯，实现路侧与行人、车辆、网络的信息交互。
阵列天线的定义：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。
为了减小多种无线通信在车内的电磁辐射、耦合，对车载电子设备造成电磁干扰，影响驾驶安全，V2X主机设备置于车内，通过封闭的电磁信号传输电缆将V2X天线引至车顶安装；传统的ETC车载单元（OBU）贴装于汽车前挡风玻璃，由于汽车玻璃成斜面状，OBU天线法向辐射（最佳辐射方向）与水平面呈一定夹角，与路侧单元（RSU）天线的辐射方向在同一直线上，形成较为理想的电磁波收发角度，当V2X置于车顶时，出于安装尺寸和安装方式考虑，V2X内的天线最佳安装方式应为水平或垂直安装，如果V2X内的天线采用倾斜式安装将占据大量的空间，使得车顶上的天线罩内的其他部件没有地方安装或者会使车顶上的天线罩的体积增大，这种情况下，V2X设备内的天线最佳辐射方向垂直地面或水平地面，当采用安装方式为水平或垂直安装时，这两种安装方法都不是与RSU天线通讯的最佳辐射角度，OBU与RSU间无法达到较高质量的通讯，降低了ETC的交易成功率。
目前车载单元的天线形式都为微带单元天线，其辐射方向性较弱，易接收或发射电磁波与邻道RSU天线通讯，造成邻道干扰误抬杠和降低本车道交易成功率，V2X设备内的天线置于车顶，需通过射频电缆与车内主机连接，射频电缆传输电磁波过程中产生较大的功率损耗，从而降低OBU与RSU的通信距离。
为了解决上述技术问题，本申请提供一种带有微带阵列天线的与V2X设备融合的ETC天线。
发明内容
基于现有技术的不足，本发明提供一种与V2X设备融合的ETC天线，包括微带阵列天线，所述微带阵列天线水平或垂直安装于V2X天线罩内，所述微带阵列天线包括介质底衬、微带传输线、功率分配器、相移分配节、阵列天线辐射贴片、射频连接器，所述微带传输线、所述功率分配器、所述相移分配节、所述阵列天线辐射贴片位于所述介质底衬上，所述射频连接器与所述微带传输线的一端连接，所述功率分配器与所述微带传输线的另一端连接。
作为本发明与V2X设备融合的ETC天线的改进，本发明的与V2X设备融合的ETC天线的所述阵列天线辐射贴片为4片分别为阵列天线辐射贴片（1）、阵列天线辐射贴片（2）、阵列天线辐射贴片（3）、阵列天线辐射贴片（4），所述相移分配节为两个分别为相移分配节（1）和相移分配节（2）。
作为本发明的与V2X设备融合的ETC天线的改进，本发明的与V2X设备融合的ETC天线的所述相移分配节（1）位于所述阵列天线辐射贴片（1）和所述阵列天线辐射贴片（2）之间，所述相移分配节（2）位于所述阵列天线辐射贴片（3）和所述阵列天线辐射贴片（4）之间。
作为本发明的与V2X设备融合的ETC天线的改进，本发明的与V2X设备融合的ETC天线的所述功率分配器位于所述相移分配节（1）和所述相移分配节（2）之间。
作为本发明的与V2X设备融合的ETC天线的改进，本发明的与V2X设备融合的ETC天线的所述阵列天线辐射贴片为二分之一介质波长的辐射器。
作为本发明的与V2X设备融合的ETC天线的改进，本发明的与V2X设备融合的ETC天线的所述射频连接器为50Ω特性阻抗的标准连接器。
作为本发明的与V2X设备融合的ETC天线的改进，本发明的与V2X设备融合的ETC天线的所述微带阵列天线还包括移相器，所述移相器与所述阵列天线辐射贴片连接。
作为本发明的与V2X设备融合的ETC天线的改进，本发明的与V2X设备融合的ETC天线的所述V2X天线罩位于车顶或类似环境。
与现有技术相比较，本发明的与V2X设备融合的ETC天线具有以下有益效果：由于所述微带阵列天线水平或垂直安装于V2X天线罩内，这样的安装方式可以节省V2X天线罩的内部空间，如果V2X天线罩内的天线采用倾斜式安装将占据V2X天线罩内大量的空间，使得V2X天线罩内的其他部件没有地方安装或者会使V2X天线罩的体积增大；所述微带阵列天线包括介质底衬、微带传输线、功率分配器、相移分配节、阵列天线辐射贴片、射频连接器，所述阵列天线辐射贴片为4片分别为阵列天线辐射贴片（1）、阵列天线辐射贴片（2）、阵列天线辐射贴片（3）、阵列天线辐射贴片（4），比传统OBU天线的增益提高6dB，而且方向性更为集中，波瓣宽度也降低，可以抵消来自射频传输电缆的功率损耗，也提高了通讯距离，也可以将功率更为集中指向所在车道RSU天线方向，降低与邻道RSU天线通讯机率，从而降低邻道干扰；采用所述相移分配节，给予所述微带阵列天线不同相位，改变现有OBU天线与OBU设备法向垂直主瓣辐射方式，主瓣波束可以指向RSU天线来波方向，形成与RSU发射的电磁波的最佳收发角度，综上所述，所述与V2X设备融合的ETC天线的所述微带阵列天线能与RSU天线形成最佳的电磁波收发角度，完成ETC自动扣费，并且可以降低邻道干扰，使得交易更加精准。
附图说明
图1为本发明的与V2X设备融合的ETC天线的优选实施例的所述微带阵列天线的安装示意图。
图2为本发明的与V2X设备融合的ETC天线的优选实施例的现有OBU与RSU通讯的天线安装及辐射示意图。
图3为本发明的与V2X设备融合的ETC天线的优选实施例的所述微带阵列天线的结构示意图。
图4为本发明的与V2X设备融合的ETC天线的优选实施例的所述微带阵列天线波束赋形算法的公式。
图5为本发明的与V2X设备融合的ETC天线的优选实施例的所述微带阵列天线波束赋形算法的基本原理图。
图6为本发明的与V2X设备融合的ETC天线的优选实施例的所述微带阵列天线辐射范围示意图。
具体实施方式
本发明的与V2X设备融合的ETC天线的主要适用于ETC不停车收费。
参考图1、图2、图3、图4、图5和图6，下文将详细描述本发明的与V2X设备融合的ETC天线。
如图1所示，本实施例中的一种与V2X设备融合的ETC天线，包括微带阵列天线，所述微带阵列天线水平或垂直安装于V2X天线罩内，所述微带阵列天线包括介质底衬、微带传输线、功率分配器、相移分配节、阵列天线辐射贴片、射频连接器，所述微带传输线、所述功率分配器、所述相移分配节、所述阵列天线辐射贴片位于所述介质底衬上，所述射频连接器与所述微带传输线的一端连接，所述功率分配器与所述微带传输线的另一端连接，如图3所示，所述介质底衬是所述微带阵列天线的承载基材，正反两面分别蚀刻天线的金属反射地、微带传输线和阵列天线辐射贴片，选用具备高频性能的材料，所述微带传输线是电磁传输路径，设计为符合要求的高频阻抗，高频电磁波在所述微带传输线上低反射、低损耗传输，所述功率分配器是将电磁波等功率分配给各个所述阵列天线辐射贴片，所述相移分配节是本实施例的关键所在，通过设计所述相移分配节的连接位置，分配给各个所述阵列天线辐射贴片具备不同的相位，从而改变各个所述阵列天线辐射贴片主瓣的辐射方向。
在本实施例中，本发明的与V2X设备融合的ETC天线的的所述阵列天线辐射贴片为4片分别为阵列天线辐射贴片（1）、阵列天线辐射贴片（2）、阵列天线辐射贴片（3）、阵列天线辐射贴片（4），所述相移分配节为两个分别为相移分配节（1）和相移分配节（2），本实施例采用4片所述阵列天线辐射贴片，根据所述微带阵列天线增益G与所述阵列天线辐射贴片个数N的关系公式：G=10*lgN，可知，所述微带阵列天线比传统OBU天线的增益提高6dB，方向性更为集中，波瓣宽度降低，可以抵消来自射频传输电缆的功率损耗，提高通讯距离，也可以将功率更为集中指向所在车道RSU天线的来波方向，降低与邻道RSU天线通讯的机率，从而降低邻道干扰。
参考图4和图5，在本实施例中，本发明的与V2X设备融合的ETC天线的的所述微带阵列天线的所述阵列天线辐射贴片为4片，根据波束赋型算法，根据4元阵的所述微带阵列天线的方向图乘积定理公式及相位差&波束指向角推导波束偏转与天线单元相位差关系式：
相位差△φ=
Figure DEST_PATH_IMAGE001
波束指向角
Figure 162742DEST_PATH_IMAGE002
可以得到，当两列天线阵的相位差为60度时，天线的辐射主波束指向30度，在V2X天线罩安装环境中，所述微带阵列天线可以水平安装或者垂直安装，调节所述阵列天线辐射贴片（1）和所述阵列天线辐射贴片（2）之间、所述阵列天线辐射贴片（3）和所述阵列天线辐射贴片（4）之间的相位差，达到所述微带阵列天线的辐射主波束赋形指向的目的，最终与RSU天线达到最佳通信主瓣辐射角度，如图2所示，能够达到现有的OBU天线与RSU天线的辐射效果。
在本实施例中，本发明的与V2X设备融合的ETC天线的所述相移分配节（1）位于所述阵列天线辐射贴片（1）和所述阵列天线辐射贴片（2）之间，所述相移分配节（2）位于所述阵列天线辐射贴片（3）和所述阵列天线辐射贴片（4）之间，通过设计所述相移分配节使得所述阵列天线辐射贴片（1）和所述阵列天线辐射贴片（2）之间、所述阵列天线辐射贴片（3）和所述阵列天线辐射贴片（4）之间获得一定的相位差，所述微带阵列天线主波束向左半空间偏转能与天线法向成一定夹角辐射。
参考图6，在本实施例中，本发明的与V2X设备融合的ETC天线的通过三维仿真软件设计仿真本实施例中的所述微带阵列天线，得到所述微带阵列天线远场辐射方向图参数结果，所述微带阵列天线辐射主瓣偏离天线法向30°，本实施例中的所述V2X天线罩安装于车顶或类似的安装环境中，主瓣波束可以与RSU形成最佳辐射通信角度，起到很好的效果。
在本实施例中，本发明的与V2X设备融合的ETC天线的的所述功率分配器位于所述相移分配节（1）和所述相移分配节（2）之间。
在本他实施例中，本发明的与V2X设备融合的ETC天线的的所述阵列天线辐射贴片为二分之一介质波长的辐射器，将所述微带传输线上传导的高频电流转换为空间辐射的电磁波，同时具备右旋圆极化辐射特性，与RSU天线形成电磁波极化匹配。
在本实施例中，本发明的与V2X设备融合的ETC天线的的所述射频连接器为50Ω特性阻抗的标准连接器。
在本实施例中，本发明的与V2X设备融合的ETC天线的的所述微带阵列天线还包括移相器，所述移相器与所述阵列天线辐射贴片连接。
在本实施例中，本发明的与V2X设备融合的ETC天线的的所述V2X天线罩位于车顶或类似环境。
与现有技术相比较，本发明的与V2X设备融合的ETC天线的具有以下有益效果：由于所述微带阵列天线水平或垂直安装于V2X天线罩内，这样的安装方式可以节省V2X天线罩的内部空间，如果V2X天线罩内的天线采用倾斜式安装将占据V2X天线罩内大量的空间，使得V2X天线罩内的其他部件没有地方安装或者会使V2X天线罩的体积增大；所述微带阵列天线包括介质底衬、微带传输线、功率分配器、相移分配节、阵列天线辐射贴片、射频连接器，所述阵列天线辐射贴片为4片分别为阵列天线辐射贴片（1）、阵列天线辐射贴片（2）、阵列天线辐射贴片（3）、阵列天线辐射贴片（4），比传统OBU天线的增益提高6dB，而且方向性更为集中，波瓣宽度也降低，可以抵消来自射频传输电缆的功率损耗，也提高了通讯距离，也可以将功率更为集中指向所在车道RSU天线方向，降低与邻道RSU天线通讯机率，从而降低邻道干扰；采用所述相移分配节，给予所述微带阵列天线不同相位，改变现有OBU天线与OBU设备法向垂直主瓣辐射方式，主瓣波束可以指向RSU天线来波方向，形成与RSU发射的电磁波的最佳收发角度，综上所述，所述与V2X设备融合的ETC天线的所述微带阵列天线能与RSU天线形成最佳的电磁波收发角度，完成ETC自动扣费，并且可以降低邻道干扰，使得交易更加精准。
以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (8)

1.一种与V2X设备融合的ETC天线，其特征在于：包括微带阵列天线，所述微带阵列天线水平或垂直安装于V2X天线罩内，所述微带阵列天线包括介质底衬、微带传输线、功率分配器、相移分配节、阵列天线辐射贴片、射频连接器，所述微带传输线、所述功率分配器、所述相移分配节、所述阵列天线辐射贴片位于所述介质底衬上，所述射频连接器与所述微带传输线的一端连接，所述功率分配器与所述微带传输线的另一端连接。
2.根据权利要求1所述与V2X设备融合的ETC天线，其特征在于：所述阵列天线辐射贴片为4片分别为阵列天线辐射贴片（1）、阵列天线辐射贴片（2）、阵列天线辐射贴片（3）、阵列天线辐射贴片（4），所述相移分配节为两个分别为相移分配节（1）和相移分配节（2）。
3.根据权利要求2所述与V2X设备融合的ETC天线，其特征在于：所述相移分配节（1）位于所述阵列天线辐射贴片（1）和所述阵列天线辐射贴片（2）之间，所述相移分配节（2）位于所述阵列天线辐射贴片（3）和所述阵列天线辐射贴片（4）之间。
4.根据权利要求3所述与V2X设备融合的ETC天线，其特征在于：所述功率分配器位于所述相移分配节（1）和所述相移分配节（2）之间。
5.根据权利要求4所述与V2X设备融合的ETC天线，其特征在于：所述阵列天线辐射贴片为二分之一介质波长的辐射器。
6.根据权利要求5所述与V2X设备融合的ETC天线，其特征在于：所述射频连接器为50Ω特性阻抗的标准连接器。
7.根据权利要求1或6所述与V2X设备融合的ETC天线，其特征在于：所述微带阵列天线还包括移相器，所述移相器与所述阵列天线辐射贴片连接。
8.根据权利要求7所述与V2X设备融合的ETC天线，其特征在于：所述V2X天线罩位于车顶或类似环境。
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