相控阵技术在ETC天线中的应用探讨

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1、2013年6月■村国囊持交通建设【文章编号】1673-0038(2013)16-0233-03相控阵技术在ETC天线中的应用探讨吴健(福建省高速公路永安监控分中心福建永安366000)摘要：为解决因当前ETC使用量变化而引起的若干新问题或新需求，本文将在已得到成功应用和广泛推广的双通信区ETC车道系统集成技术基础上，探讨如何使用相控阵技术来实现ETC天线的技术创新。关键词：相控阵；双通信区；ETC；RSU；系统集成引言随着福建经济的高速发展和个人车辆保有量的递增，为进一步提高高速公路收费站的通行能力和服务水平，我省于2007年始开始启用

2、高速公路非现金支付和电子不停车收费(ETC)项目建设，并且凭借ETC车道在实际运营中所体现的突出特点和优势，成为福建高速公路发展的一大特色。但是随着ETC用户数量以及车道应用规模的不断扩大，以及ETC用户的需求的不断提高，我运营方和使用用户均对ETC车道在交易可靠性的基础上提升车辆通行速度的提出了更高的要求。特别是对于省界重要路段和省内重要干线的收费站，其ETC车道车流量的急剧增长态势，不仅使ETC车道处理压力日益增加：同时，也诱发出了各种复杂的ETC车辆驾驶现象，从而导致ETC车道优势难以得到充分发挥。鉴于此，为能解决因当前ETC使用

3、量变化而引起的若干新问题或新需求，将相控阵技术引入ETC系统。使用相控阵技术天线设备，并通过天线设备驱动程序根据地感线圈信号，发出微波波束自动跟踪车辆快速扫描指令，锁定车辆车头始终处于信号最强的通讯区域中心位置，来一举解决现有ETC使用中的困扰。1ETC系统关键设备应用情况1．1ETC车道系统的主要架构和配置目前高速公路不停车系统设备构成大体包括RSU(天线)与OBU(电子标签)、车道电源和多串口适配器、身份卡读卡器、费额显示牌、指示灯、自动栏机杆、车道工控机等设备。图1ETE车道设备组成框图1．2当前RSU的技术现状及存在问题目前不停

4、车收费系统中的RSU产生的通讯区域在6．5mx3．0m左右，它综合兼顾了通车速度、交易成功率、跟车干扰和邻道干扰，但由于天线的通讯区域边缘信号弱、载噪比和信噪比变差，当车辆车头部分处于天线信号边缘时误码率将明显升高。当通车速度超过40km／h时，交易尚未完成车头已处于通讯区域边缘，通讯区域边缘信号较弱，载噪比C／N会降到10dB以下，误码率已大于1．0E-4，所以交易成功率将明显降低；通讯区域长度大于7．5m时，通车速度和交易成功率将有所改善，但跟车干扰将明显增加：通讯区域长度小于7．5m时，通车速度将受到明显限制，交易成功率将更明显降

5、低。通讯区域宽度大于3．3m时邻道干扰将明显增加；通讯区域宽度小于3．3m时，对电子标签安装位置和车辆行驶偏离车道中心有更严格要求。通讯误码率主要与载噪比或信噪比相关，图2是在ASK调制条件下，误码率与载噪比的关系曲线，表明随着载噪比变好，误码率越小。图2通讯误码率与载噪比关系曲线以上是目前ETC系统性能提高存在的主要限制和矛盾，通车速度、交易成功率、跟车干扰和邻道干扰的情况。固定的6．5mx3．0m通讯区域可以兼顾跟车干扰、通车速度和交易成功率要求。可如今我省一些主要道口车流量增大，精确率和通车效率问题已经成为整个ETC系统的瓶颈和软

6、肋。2ETC天线(RSU)相控阵技术解决方案2．1相控阵天线原理相控阵技术主要应用于航空科技领域。我们知道，蜻蜒的每只眼睛由许许多多个小眼组成，每个小眼都能成完整的像，这样就使得蜻蜓所看到的范围要比人眼大得多。与此类似，使用相控阵的天线阵面也由许多个辐射单元和接收单元(称为阵元)组成，单元数目和天线的功能有关，可以从几百个到几万个。这些单元有规则地排列在平面上，构成阵列天线。利用电磁波相干原理，通过计算机控制馈往各辐射单元电流的相位，就可以改变波束的方向进行扫描，故称为电扫描。辐射单元把接收到的回波信号送入主机，完成对目标的搜索、跟踪和

7、测量。每个天线单元除了有天线·233·交通建设口ⅡEⅡ2013年6月振子之外，还有移相器等必须的器件。不同的振子通过移相器可以被馈入不同的相位的电流，从而在空间辐射出不同方向性的波束。天线的单元数目越多，则波束在空间可能的方位就越多，“相控阵”由此得名。2．2ETC天线(RSU)相控阵技术实现的关键众所周知，ETC天线设备驱动程序会根据地感线圈信号，发出微波波束自动跟踪车辆快速扫描指令，锁定车辆车头始终处于信号最强的通讯区域中心位置。但与传统技术下的主要不同之处在于自动波束跟踪扫描技术，而正是由于相控阵技术具有跟踪扫描功能解决了传统ET

8、C设备在使用中存在的问题。相控阵技术下车道RSU设备组成如图3、表1。图3ETC天线相控阵技术解决方案车道设备示意图表1相控阵技术下RSU与传统技术下RSU性能对比性能指标传统技术下RSU相控阵技术下RSU