《套用於ETC系統的相控陣天線及其使用方法》是廣州市埃特斯通訊設備有限公司於2011年11月16日申請的專利，該專利的公布號為CN102509901A，授權公布日為2012年6月20日，發明人是黃衛民。
《套用於ETC系統的相控陣天線及其使用方法》所述套用於ETC系統的相控陣天線包括由天線子陣構成的發射天線陣與由天線子陣構成的接收天線陣，以及相控陣發射組件與相控陣接收組件、波控接口、通訊控制模組、地感接口、車速計算模組、車輛跟蹤模組、電源通訊適配器和安全認證模組，其中通訊控制模組採集地感線圈信號，實時估算車輛位置和速度，計算出波控指令，分別控制相控陣發射組件與相控陣接收組件各路射頻信號的相位和幅值，在空間形成跟蹤車輛的射頻波束。該發明還公開了使用方法。該發明實現動態長距離連續通訊，消除跟車干擾，提高交易成功率，提高通車速度，提高ETC系統的使用效率及建設的性價比，降低建設成本。
2021年11月，《套用於ETC系統的相控陣天線及其使用方法》獲得第八屆廣東專利獎優秀獎。
（概述圖為《套用於ETC系統的相控陣天線及其使用方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：套用於ETC系統的相控陣天線及其使用方法
- 申請人：廣州市埃特斯通訊設備有限公司
- 申請日：2011年11月16日
- 申請號：2011103660353
- 公布號：CN102509901A
- 公布日：2012年6月20日
- 發明人：黃衛民
- 地址：廣東省廣州市蘿崗區永和經濟區搖田河大街79號永和大樓703房
- 分類號：H01Q21/00(2006.01)I、H01Q3/28(2006.01)I、H01Q3/36(2006.01)I
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
ETC系統（Electronic Toll Collection System）套用DSRC短程通信（Dedicated Short Communication）技術進行車輛與收費站之間的無線數據通訊，通過計算機網路進行收費數據處理，實現不停車自動收費。
ETC系統前端設備主要由路側單元RSU（Raod Side Unit）和車載單元OBU（On Braod Unit）組成。使用ETC系統，車主只要在車窗上安裝OBU並預存費用或與銀行帳戶綁定，通過收費站時便不用人工繳費，無須停車，費用將從OBU中自動扣除。採用這種收費系統的收費通道，其通行能力是人工收費通道的5到10倍。它特別適於交通繁忙的公路收費站使用。2011年11月之前中國ETC系統的研究和實施取得了一定進展。但有些性能還有待最佳化、改善，主要表現在：1）通車速度和無人值守的矛盾解決不好。欄桿前置可實現無人值守，但通車速度太慢。2）欄桿後置通車速度快了，但需有人值守處理誤入車輛和交易失敗車輛。3）2011年前大多採用多個天線來解決這個問題，但這帶來了建設成本的大量增加。4）跟車干擾問題解決不好。通訊區域大了有利於提高通車速度，但會增加跟車干擾，造成前後車位置顛倒的機率升高。通訊區域小，可以防止跟車干擾，但車輛速度較快時，交易失敗的機率會增加。
2011年前ETC系統中使用的天線性能不能充分發揮自動收費車道的效能，不能完全滿足實際工程的需求，有必要通過先進創新的設計方案來對2011年11月之前天線的性能進行改善，以緩解車流量日益增大對收費系統的壓力，提高ETC提高ETC系統效率。
發明內容
專利目的
《套用於ETC系統的相控陣天線及其使用方法》的目的是提供一種套用於ETC系統的相控陣天線，實現動態長距離連續通訊，消除跟車干擾，提高交易成功率，提高通車速度，提高ETC系統的使用效率，提高ETC系統建設的性價比，降低ETC系統的建設成本。
技術方案
《套用於ETC系統的相控陣天線及其使用方法》所述套用於ETC系統的相控陣天線其特徵在於：所述套用於ETC系統的相控陣天線包括由天線子陣構成的發射天線陣與由天線子陣構成的接收天線陣，以及相控陣發射組件與相控陣接收組件、波控接口、通訊控制模組、地感接口、車速計算模組、車輛跟蹤模組、電源通訊適配器和安全認證模組，發射天線陣的天線子陣與接收天線陣的天線子陣分別通過饋線網路連線至相控陣發射組件和相控陣接收組件的各路射頻信號處理單元，通過對射頻信號處理單元中的移相器和衰減器賦值，實現對各天線子陣的相位和幅值控制，通訊控制模組負責基帶的編碼/解碼、調製/解調、HDLC/DSRC通迅流程控制，同時，採集地感線圈接口信號，估算車輛位置和速度，計算出波控指令，通過波控接口，分別控制相控陣發射組件與相控陣接收組件的各路移相器和衰減器，實現波束跟蹤車輛，電源通訊適配器和安全認證模組，實現天線與上位機的有線遠距離通訊連線，並安裝有安全認證模組PSAM卡。
發射天線陣與接收天線陣均由微帶天線構成，其中微帶天線是在一個薄介質基材上，一面為金屬箔層作為接地板，另一面光刻腐蝕出金屬貼片，利用微帶線和軸線探針對貼片饋電，貼片按規則排列和饋電，且貼片饋電的相位和強度實時調節控制，構成所述發射天線陣與接收天線陣，貼片採用矩形微帶貼片，並通過切角技術實現圓極化，發射天線陣與接收天線陣的貼片數量，根據波束寬度和副瓣電平要求確定。
發射天線陣與接收天線陣均以1x6或1x8微帶天線子陣作為基礎結構，由4～10個子陣構成微帶天線陣列，每個子陣的激勵相位和激勵幅度分別可控制調節，形成一維掃描的數字波束，其中微帶天線子陣中的貼片和所有子陣，均採用泰勒級數分布函式進行幅值加權，所述移相器移相值與波束的偏轉角度存在下列關係：dsinθ＝λΦ/2π，其中：θ為波束偏轉角度且單位為弧度，Φ為移相器移相值且單位為弧度，d為子陣間的間距且單位為毫米，λ為波長且單位為毫米；衰減器按照泰勒分布函式加權計算衰減器的賦值。
所述相控陣發射組件由多路射頻信號處理單元組成，來自通訊控制模組的激勵信號，經功分器分別饋給各路射頻信號處理單元，射頻信號處理單元由放大器、移相器、衰減器及功率放大器構成，其中移相器和衰減器根據波控接口的波控指令，對射頻信號進行移相和衰減，經功率放大後，分別饋送給各路發射天線子陣，在空間形成波束掃描，所述相控陣接收組件由多路射頻信號處理單元組成，來自各路接收天線子陣的射頻信號，分別輸入到對應的各射頻信號處理單元，射頻信號處理單元由低噪聲前置放大器、移相器、衰減器及放大器構成，其中移相器和衰減器根據波控接口的波控指令，對射頻信號進行移相和衰減，經處理後的射頻信號由功分器矢量疊加，形成對信號空間的方向性選擇，再輸出到通訊控制模組進行下變頻、解調和解碼，獲得基帶數據。
所述通訊控制模組為16位嵌入式ARM處理器，內置FLASH且有射頻PLL初始化、HDLC通訊協定、DSRC流程控制、上位機通訊協定、地感接口和車輛位置及速度估算、相控陣波控指令算法和安全認證協定各應用程式，其中HDLC通訊接口輸出下行基帶數據TX，經RF集成發射電路以ASK方式調製在5.8吉赫載波上，產生射頻輸出作為相控陣發射組件的激勵輸入，相控陣接收組件輸出的射頻信號，經RF集成接收電路下變頻、解調出上行基帶數據RX，並通過HDLC通訊接口進入ARM處理器解碼。所述發射天線陣與接收天線陣通過一環形器使發射天線陣與接收天線陣共用一個天線陣。
該發明還提供了一種使用前述套用於ETC系統的相控陣天線的方法，其中地感線圈設定有第一地感線圈、第二地感線圈、第三地感線圈和第四地感線圈，
1）通過地感線圈接口信號確定車輛位置，當車輛進入第一地感線圈，射頻波束對準車輛前部，發出無線電信標，喚醒車上的電子標籤，建立通信鏈路進入自動收費流程；
2）通訊控制模組採集地感線圈接口信號，當檢測到車輛進入第二地感線圈的信號，計算出車輛行駛速度，通過相控陣波束控制算法，實時得出移相器和衰減器控制數據，即波控指令；
3）波控指令通過波控接口輸入相控陣收/發組件，各路收/發組件對。
改善效果
《套用於ETC系統的相控陣天線及其使用方法》打破了ETC產業在實際套用中遇到的關鍵技術瓶頸，解決電子不停車收費系統在推進中遇到的主要技術障礙，促進中國ETC產業的穩步發展，促進公路交通行業更加智慧型化、更加綠色環保。
附圖說明
圖1為該發明套用於ETC系統的相控陣天線系統原理圖；
圖2為該發明套用於ETC系統的相控陣天線通訊控制模組原理圖；
圖3為該發明套用於ETC系統的相控陣天線相控陣發射組件原理圖；
圖4為該發明套用於ETC系統的相控陣天線相控陣接收組件原理圖；
圖5為該發明套用於ETC系統的相控陣天線發射天線陣與接收天線陣結構圖；
圖6為該發明套用於ETC系統的相控陣天線相控陣天線波束掃描原理圖；
圖7為該發明套用於ETC系統的相控陣天線相控陣天線的基本組成。
權利要求
1.一種套用於ETC系統的相控陣天線，其特徵在於：所述套用於ETC系統的相控陣天線包括由天線子陣構成的發射天線陣與由天線子陣構成的接收天線陣，以及相控陣發射組件與相控陣接收組件、波控接口、通訊控制模組、地感接口、車速計算模組、車輛跟蹤模組、電源通訊適配器和安全認證模組，發射天線陣的天線子陣與接收天線陣的天線子陣分別通過饋線網路連線至相控陣發射組件和相控陣接收組件的各路射頻信號處理單元，通過對射頻信號處理單元中的移相器和衰減器賦值，實現對各天線子陣的相位和幅值控制，通訊控制模組負責基帶的編碼/解碼、調製/解調、HDLC/DSRC通迅流程控制，同時，採集地感線圈接口信號，估算車輛位置和速度，計算出波控指令，通過波控接口，分別控制相控陣發射組件與相控陣接收組件的各路移相器和衰減器，實現數字波束跟蹤車輛，電源通訊適配器和安全認證模組，實現天線與上位機的有線遠距離通訊連線，並安裝有安全認證模組PSAM卡。
2.根據權利要求1所述的套用於ETC系統的相控陣天線，其特徵在於：發射天線陣與接收天線陣均由微帶天線構成，其中微帶天線是在一個薄介質基材上，一面為金屬箔層作為接地板，另一面光刻腐蝕出金屬貼片，利用微帶線和軸線探針對貼片饋電，貼片按規則排列和饋電，且貼片饋電的相位和強度實時調節控制，構成所述發射天線陣與接收天線陣，貼片採用矩形微帶貼片，並通過切角技術實現圓極化，發射天線陣與接收天線陣的貼片數量，根據波束寬度和副瓣電平要求確定。
3.根據權利要求2所述的套用於ETC系統的相控陣天線，其特徵在於：發射天線陣與接收天線陣均以1x6或1x8微帶天線子陣作為基礎結構，由4～10個子陣構成微帶天線陣列，每個子陣的激勵相位和激勵幅度分別可控制調節，形成一維掃描的數字波束，其中微帶天線子陣中的貼片和所有子陣，均採用泰勒級數分布函式進行幅值加權，所述移相器移相值與波束的偏轉角度存在下列關係：dsinθ＝λΦ/2π，其中：θ為波束偏轉角度且單位為弧度，Φ為移相器移相值且單位為弧度，d為子陣間的間距且單位為毫米，λ為波長且單位為毫米；衰減器按照泰勒分布函式加權計算衰減器的賦值。
4.根據權利要求1所述的套用於ETC系統的相控陣天線，其特徵在於：所述相控陣發射組件由多路射頻信號處理單元組成，來自通訊控制模組的激勵信號，經功分器分別饋給各路射頻信號處理單元，射頻信號處理單元由放大器、移相器、衰減器及功率放大器構成，其中移相器和衰減器根據波控接口的波控指令，對射頻信號進行移相和衰減，經功率放大後，分別饋送給各路發射天線子陣，在空間形成波束掃描，所述相控陣接收組件由多路射頻信號處理單元組成，來自各路接收天線子陣的射頻信號，分別輸入到對應的各射頻信號處理單元，射頻信號處理單元由低噪聲前置放大器、移相器、衰減器及放大器構成，其中移相器和衰減器根據波控接口的波控指令，對射頻信號進行移相和衰減，經處理後的射頻信號由功分器矢量疊加，形成對信號空間的方向性選擇，再輸出到通訊控制模組進行下變頻、解調和解碼，獲得基帶數據。
5.根據權利要求1所述的套用於ETC系統的相控陣天線，其特徵在於：所述通訊控制模組為16位嵌入式ARM處理器，內置FLASH且有射頻PLL初始化、HDLC通訊協定、DSRC流程控制、上位機通訊協定、地感接口和車輛位置及速度估算、相控陣波控指令算法和安全認證協定各應用程式，其中HDLC通訊接口輸出下行基帶數據TX，經RF集成發射電路以ASK方式調製在5.8吉赫載波上，產生射頻輸出作為相控陣發射組件的激勵輸入，相控陣接收組件輸出的射頻信號，經RF集成接收電路下變頻、解調出上行基帶數據RX，並通過HDLC通訊接口進入ARM處理器解碼。
6.根據權利要求1所述的套用於ETC系統的相控陣天線，其特徵在於：所述發射天線陣與接收天線陣通過一環形器使發射天線陣與接收天線陣共用一個天線陣。
7.一種使用權利要求1-6任一權利要求所述的套用於ETC系統的相控陣天線的方法，其特徵在於：其中地感線圈設定有第一地感線圈、第二地感線圈、第三地感線圈和第四地感線圈，
1）通過地感線圈接口信號確定車輛位置，當車輛進入第一地感線圈，射頻波束對準車輛前部，發出無線電信標，喚醒車上的電子標籤，建立通信鏈路進入自動收費流程；
2）通訊控制模組採集地感線圈接口信號，當檢測到車輛進入第二地感線圈的信號，計算出車輛行駛速度，通過相控陣波束控制算法，實時得出移相器和衰減器控制數據，即波控指令；
3）波控指令通過波控接口輸入相控陣收/發組件，各路收/發組件對調製有基帶數據的微波信號，依據波控指令進行移相/衰減即相位和幅值控制、再經功率放大後，分別饋給對應的天線子陣，形成數字波束；
4）數字波束實時跟蹤車輛前行，如果車輛到了第三地感線圈，自動收費流程還沒有結束，通訊控制模組繼續計算更新車輛位置、速度和波控指令，直到數字波束移動到欄桿跟前為止；
5）前面的車輛完成自動收費流程後，通訊控制模組跟據地感線圈接口信號判斷第二輛車位置和行駛速度，通過相控陣波束控制算法，實時計算出對應第二輛車位置的移相器和衰減器控制指令，數字波束指向第二輛車前部，重複前輛車的自動收費流程。
實施方式
如圖1，該發明一種套用於ETC系統的相控陣天線，套用於ETC系統的相控陣天線，包括由天線子陣構成的發射天線陣與由天線子陣構成的接收天線陣，以及相控陣發射組件與相控陣接收組件、波控接口、通訊控制模組、地感接口、車速計算模組、車輛跟蹤模組、電源通訊適配器和安全認證模組，其中發射天線陣與接收天線陣通過環形器，發射天線陣與接收天線陣可共用一個天線陣，發射天線陣的天線子陣與接收天線陣的天線子陣，分別通過饋線網路連線至相控陣發射組件和相控陣接收組件的各路射頻信號處理單元，通過對射頻信號處理單元中的移相器和衰減器賦值，實現對各天線子陣的相位和幅值控制，通訊控制模組負責基帶的編碼/解碼、調製/解調、HDLC/DSRC通迅流程控制，同時，採集地感線圈接口信號，估算車輛位置和速度，計算出波控指令，通過波控接口，分別控制相控陣發射組件與相控陣接收組件的各路移相器和衰減器，實現波束跟蹤車輛，電源通訊適配器和安全認證模組，實現天線與上位機的有線遠距離通訊連線，並安裝有安全認證模組PSAM卡。更具體來說，發射天線陣與接收天線陣分別與相控陣發射組件與相控陣接收組件電路連線，電源與通訊控制模組電路連線，通訊控制模組與相控陣發射組件、相控陣接收組件電路連線，通訊控制模組用於採集地感線圈接口信號，並根據進入到地感線圈的車輛估算車輛位置和速度，通過處理實時得出波控指令且通過波控接口，分別控制相控陣發射組件與相控陣接收組件的相位和幅值，波控接口將通訊控制模組輸出的串列波控指令轉換成相控陣發射組件和相控陣接收組件所需要的並行波控指令，相控陣發射組件與相控陣接收組件分別通過波控接口，接收通訊控制模組發出的車輛跟蹤波控指令，形成跟蹤車輛的射頻波束，保證高速行進中車上的電子標籤始終處於通訊區域內，實現通訊區域內連續可靠的通訊套用要求。
如圖5，發射天線陣與接收天線陣均由微帶天線構成，發射天線陣與接收天線陣均以1x6或1x8微帶天線子陣作為基礎結構，由4～10個子陣構成微帶天線陣列，多個子陣的激勵相位和激勵幅度分別可控制調節，形成一維數字波束掃描即是形成一維掃描的數字波束，其中微帶天線子陣中的6-8個貼片和多個子陣採用泰勒級數分布函式進行幅值加權，發射天線陣與接收天線陣的陣列尺寸由波束寬度最窄時的寬度值和副瓣電平確定，相位分布主要根據波束要求確定，在有源輻射單元的邊上放置不饋電的無源輻射單元，改善輻射單元的阻抗特性，貼片採用矩形微帶貼片，並通過對角線切角技術實現圓極化。
如圖3，相控陣發射組件由4路射頻信號處理單元組成。將DSRC通訊控制模組的射頻信號RF_out作為激勵輸入，經功分器將激勵信號饋給多路射頻信號處理單元，射頻信號處理單元對其進行放大、移相、衰減及功率放大，其中移相器和衰減器根據DSRC通訊控制模組通過波控接口發過來的波控指令，對射頻信號進行移相和衰減（相位和幅值控制），經功率放大後的射頻信號分別饋給4個發射天線子陣，最終在空間形成符合套用要求的波束。
如圖4，相控陣接收組件也由4路射頻信號處理單元組成。分別將4個接收天線子陣接收到的射頻信號作為輸入，射頻信號處理單元對其進行放大、移相、衰減及功率放大，其中移相器和衰減器根據DSRC通訊控制模組通過波控接口發過來的波控指令，對射頻信號進行移相和衰減（相位和幅值控制），經處理後的射頻信號由功分器矢量疊加，形成對信號空間的方向性選擇，再輸出到DSRC通訊控制模組進行下變頻和解調，解出基帶數據。
根據ETC套用車輛跟蹤精要求，可採用4～6位數的數字移相器和數字衰減器。相控陣接收和組件組件通過波控接口，接收DSRC通訊控制模組發出的車輛跟蹤指令，形成跟蹤車輛的射頻波束，保證高速行進中的車上OBU始終處於通訊區域內，實現小通訊區域連續可靠通訊的套用要求，它是該發明的核心內容。
相控陣接收和組件組件的具體技術指標和技術要求：
技術指標：工作頻率（吉赫）：發射：信道1：5.83，信道2：5.84；接收：信道1：5.79，信道2：5.80；
工作頻寬：≤5兆赫；T/R開關時間：≤0.3微秒；發射功率：20分貝毫瓦≤Pout≤33分貝毫瓦（功率由軟體可調）；發射輸入功率：0～3分貝毫瓦；接收增益：23分貝≤Gain≤29分貝；噪聲係數：5分貝；三階交調：≤-55分貝c；雜散：≤-30分貝毫瓦；移相器：6bitRMS偏差≤6°；衰減器：6bit步長為0.5分貝；輸入/輸出駐波：≤2:1。
如圖2，DSRC通訊控制模組為16位嵌入式ARM處理器，內置FLASH駐留摸塊，包括射頻PLL初始化、HDLC通訊協定、DSRC流程控制、上位機通訊協定、地感接口和車輛位置及速度估算、相控陣波控指令算法和安全認證協定，其中HDLC通訊接口輸出下行基帶數據TX，經RF集成發射電路以ASK方式調製在5.8吉赫載波上，產生射頻輸出作為相控陣發射組件的激勵輸入，相控陣接收組件輸出射頻信號，經RF集成接收電路下變頻、解調出上行基帶數據RX，並通過HDLC通訊接口進入ARM處理器。通訊控制模組在DSRC交易流程中，安排中國人民銀行金融卡規範PBOC的雙向安全認證，保證消費支付系統的安全性。
該發明還提供了一種套用於ETC系統的相控陣天線的使用方法，其中地感線圈設定有第一地感線圈、第二地感線圈、第三地感線圈和第四地感線圈（如果採用尺寸較小的地感線圈，也可設定更多的地感線圈）。
1）通過地感線圈接口信號確定車輛位置，當車輛進入第一地感線圈，射頻波束對準車輛前部，發出無線電信標，喚醒車上的電子標籤，建立通信鏈路進入自動收費流程；
2）通訊控制模組採集地感線圈接口信號，當檢測到車輛進入第二地感線圈的信號，計算出車輛行駛速度，通過相控陣波控算法，實時得出移相器和衰減器控制數據，即波控指令；
3）波控指令通過波控接口輸入相控陣收/發組件，各路收/發組件對調製有基帶數據的微波信號，依據波控指令進行移相/衰減即相位和幅值控制、再經功率放大後，分別饋給對應的天線子陣，形成數字波束；
4）數字波束實時跟蹤車輛前行，如果車輛到了第三地感線圈，自動收費流程還沒有結束，通訊控制模組繼續計算更新車輛位置、速度和波控指令，直到數字波束移動到欄桿跟前為止；
5）前車自動收費流程完成後，通訊控制模組跟據地感線圈接口信號判斷第二輛車位置和行駛速度，通過相控陣波束控制算法，實時計算出對應第二輛車位置的移相器和衰減器控制指令，數字波束指向第二輛車前部，重複前輛車的自動收費流程。
前述波控指令即是給相位器、衰減器的串列控制指令，相控陣波束指無線掃描波束，相控陣波束的控制也就是相位和幅值的衰減控制，算法就是能獲得準確無線掃描波束的控制算法。
基帶是指信源（信息源，也稱發終端）發出的沒有經過調製（進行頻譜搬移和變換）的原始電信號所固有的頻帶（頻率頻寬），稱為基本頻帶，簡稱基帶，該發明中是指載波用的5.82吉赫的射頻信號，在基帶里調製有收費的數字信息以後和OBU交換。FLASH是可擦寫存儲器，它把應用程式寫入後和CPU一起能執行應用程式。PLL即指鎖相環，用來統一整合時脈訊號，使記憶體能正確的存取資料HDLC（High Level DataLink Contro）一種通訊協定。DSRC專用短程通信通訊協定。
下面是更詳細的該發明發射天線陣與由天線子陣構成的接收天線陣即收/發天線陣的基本組成及波速掃描原理。
1、收/發天線陣：該發明以1x6微帶天線子陣作為ETC專用天線的基礎結構。由4個子陣構成4x6微帶天線陣列。4個子陣的激勵相位和激勵幅度分別可控制調節，實現一維數字波束掃描。
2、微帶貼片天線基本原理：微帶天線是在一個薄介質基材上，一面為金屬箔層作為接地板，另一面光刻腐蝕出一定形狀的金屬貼片，利用微帶線和軸線探針對貼片饋電，這就構成了微帶天線。由若干貼片按一定規則排列和饋電則構成微帶天線陣。若貼片饋電的相位和強度可實時調節控制，則構成相控陣天線。
3、微帶貼片天線形狀：貼片形狀多種多樣，常用的形狀是矩形或圓形貼片。調整饋電方式和貼片形狀可實現天線的不同極化方式，如線極化或圓極化。該發明中採用矩形微帶貼片，並通過對角線切角技術實現圓極化，以滿足ETC專用天線的極化指標要求。
4、微帶天線的分析方法：微帶天線進行工程設計時，要對天線的性能參數（例如方向圖、方向性係數、效率、輸入阻抗、極化和頻帶等）預先估算，這將大大提高天線研製的質量和效率，降低研製的成本。這種理論工作的開展，帶來了多種分析微帶天線的方法，例如傳輸線、腔模理論、格林函式法、積分方程法和矩量法等。用上述各種方法計算微帶天線的方向圖，其結果是一致的，特別是主波束。該發明利用微帶傳輸線基本理論、微帶貼片天線諧振原理以及史密斯圓圖理論知識對此微帶陣列天線進行分析。
5、陣列天線原理：陣列天線的定義是一類由不少於兩個天線單元規則或隨機排列，並通過適當激勵獲得預定輻射特性的特殊天線。採用多個單元組成一個天線與單個全向天線單元相比，具有更強方向性的總輻射圖。就2011年前天線通信知識和技術的迅速發展，以及國際上對天線的諸多研究方向的提出，都促使了新型天線的誕生，陣列天線就是研究的一種方向。就發射天線來說，簡單的輻射源比如點源、對稱振子源是常見的構成陣列天線的輻射源，它們按照直線或者更複雜的形式，根據天線饋電電流，間距，電長度等不同參數來構成陣列，以獲取最好的輻射方向性。可以根據需求，按某種規律調節輻射方向和強度，由此產生出了諸如現代移動通信中使用的智慧型天線、相控陣天線等。在不久的將來，這些高技術含量的天線將會帶給我們同樣高質量的通信環境。該發明中通過綜合考慮所要實現的微帶陣列天線的各項性能參數要求，並儘可能的減小天線整體尺寸，決定採用4x6（共24個單元）陣列天線，來實現高效率高性價比ETC系統的套用需求。
6、陣列單元幅值加權原理：同一組物理陣列單元可以形成不同的天線輻射圖，這樣可以允許接收器調整主波束方向與增益，以及有效控制旁瓣電平大小，從而實現正確的信號接收。這也使得在生產這類天線時，一種天線尺寸可以適用於多種用途。即可以建立一個基本的單元結構，單元形成的輻射圖可以由用戶通過調整單元激勵的方式來改變輻射圖的形成。實現加權的方法主要有兩種：一種是通過在單元輸入鏈路上引入射頻信號增益控制器（比如，增益可調放大器或可程式信號衰減器等）；另一種是通過饋電網路實現按照不同比例進行功率分配。加權的主要算法：常用的加權算法有切比雪夫分布函式（Chebyshev）、泰勒分布函式（Taylor）以及餘弦分布函式（Cosine-on-pedestal）等。該發明中決定首先採用泰勒級數分布函式對微帶天線子陣中的6個貼片和4個子陣進行幅值加權，通過嚴謹的阻抗匹配及饋電方式，合理分配各個單元的輸入功率，以達到提高天線主波瓣方向增益，改善天線的方向性，降低旁瓣電平幅值的目的。
7、微帶陣列天線仿真：常用的仿真方法包括遺傳算法、神經網路、有限元分析法以及時域有限差分法等。隨著電磁場商用仿真軟體的快速發展，出現了以AnsoftHFSS、CSTStudio、IE3D以及ADSMomentum等很多優秀的仿真工具。通過對這些商用軟體的靈活使用，可以提高天線電磁仿真的準確性，並有效降低仿真工作所需要的時間，從而大大縮短研發時間，節約開發成本.
8、相控陣天線基本原理：即是相控陣波束控制算法的原理，其中控制算法公式：dsinθ＝λΦ/2π，通過這個公式能獲得準確無線掃描波束的控制算法。
如圖6-7，相控陣天線是通過控制陣列天線中輻射單元的饋電相位來改變方向圖形狀的天線。控制相位可以改變天線方向圖最大值的指向，以達到波束掃描的目的。在特殊情況下，也可以控制副瓣電平、最小值位置和整個方向圖的形狀，例如獲得餘割平方形方向圖和對方向圖進行自適應控制等。
在圖6中，顯然波束偏轉角度θ與移相器移相值Φ存在下列表達式關係：dsinθ＝λΦ/2π。其中：θ為波束偏轉角度單位：弧度；Φ為移相器移相值單位：弧度；d為子陣間的間距單位：毫米；λ為波長單位：毫米。衰減器的賦值的計算，為了擬制旁瓣的電平按照泰勒分布函式（Taylor）加權計算衰減器的賦值。
用機械方法旋轉天線時，慣性大、速度慢，相控陣天線克服了這一缺點，波束的掃描速度高。它的饋電相位一般用電子計算機控制，相位變化速度快（毫秒量級），即天線方向圖最大值指向或其他參數的變化迅速。這是相控陣天線的最大特點。在天線體積和重量都很大的情況下，套用相控陣天線比較方便。一般為了節省移相器和簡化控制線路，有時幾個輻射單元共用一個移相器。共用一個移相器的單元組合稱為子陣。
相控陣天線的關鍵器件是移相器和天線輻射單元。移相器分連續式移相器和數字式移相器兩種。連續式移相器的移相值可在0°～360°範圍內連續變化，數字式移相器的移相值是離散的，只能是360×1/2n度的整數倍，式中n是數字式移相器的位數。例如3位數字式移相器的移相值只能是45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°和360°。移相器應保證在一定的頻率範圍內獲得所需要的移相值，同時還需要滿足一定的耐功率和溫度穩定性等要求，以保證相控陣天線能在不同頻率上和在變化的環境條件下正常工作。
天線輻射單元的設計應使一定移相範圍內（或波束掃描範圍內）和一定頻率範圍內的輸入阻抗的變化儘可能小，以保證發射機正常工作，防止由於射頻信號的多次反射而出現寄生副瓣和方向圖中出現凹點（盲點）的現象。為此，可採用互耦小的單元或採取專門的去耦措施。
饋電方式：相控陣天線的饋電方式分傳輸線饋電和空間饋電兩種。在傳輸線饋電方式下，射頻能量通過波導、同軸線和微帶線（見微帶線和類微帶線）等微波傳輸線饋電給輻射單元。移相器置於微波傳輸線路內。在空間饋電方式下，發射機產生的射頻能量通過輻射裝置輻射至自由空間，傳輸一段距離後由一個接收陣接收，接收陣的每個單元或一組單元所接收到的信號，經過移相器移相後再饋給發射陣的發射單元並輻射出去。在這種情況下，移相器位於發射陣和接收陣之間。空間饋電的饋電線路簡單，但需要增加一個接收陣。傳輸線饋電的饋電線路複雜。
設計：相控陣天線陣列本身的設計主要是幅度、相位分布設計和單元阻抗設計。陣列尺寸由波束寬度最窄時的寬度值和副瓣電平決定。相位分布主要根據波束要求而定。由於單元方向圖和阻抗的限制，通常平面相控陣最大掃描範圍為±60°的圓錐，加上一個球罩透鏡後也可得到半球掃描。
若僅要求方向圖最大值在空間移動（掃描），只需要形成線性變化的相位分布。這時方向圖的最大值方向垂直於等相位面。使用數字式移相器時，除了幾個特殊角度以外，一般得不到精確的線性相位分布。這時在方向圖的某些方向上會出現寄生副瓣，其大小與具體的相位分布規律有關。為了滿足特殊要求，則需要採用方向圖綜合法，事先算出所需的陣面相位分布。例如，可以將陣面分成若干個區域，把每一區域都看成獨立的陣面來設計這個陣的方向圖，這樣就能在空間得到多個同時存在的波束，也可以利用特殊的相位分布使方向圖變寬或形成餘割平方形方向圖。
為了簡化饋電結構，有些相控陣天線是等幅度的。為了克服等幅分布時副瓣電平高的缺點，可採用密度加權，即有源輻射單元在陣面上的分布是不均勻的，其分布密度按一定的規律變化。在有源輻射單元的邊上放置不饋電的無源輻射單元，以改善輻射單元的阻抗特性。
相控陣天線輻射單元的數量多，當失效單元數在5％以下時對天線陣性能的影響不大，因而可靠性較高。隨著微波積體電路技術的發展和新型移相器的出現，相控陣天線的成本正不斷下降，體積越來越小，重量也在進一步減輕。該發明中首先利用微帶貼片天線原理估算出貼片尺寸，並通過切角以實現圓極化要求，再通過泰勒級數分布函式計算出微帶陣列天線24個獨立輻射單元的幅值加權大小，再利用AnsoftHFSS仿真軟體進行仿真並最佳化。
榮譽表彰
2021年11月，《套用於ETC系統的相控陣天線及其使用方法》獲得第八屆廣東專利獎優秀獎。
