如图1，该发明一种应用于ETC系统的相控阵天线，应用于ETC系统的相控阵天线，包括由天线子阵构成的发射天线阵与由天线子阵构成的接收天线阵，以及相控阵发射组件与相控阵接收组件、波控接口、通讯控制模块、地感接口、车速计算模块、车辆跟踪模块、电源通讯适配器和安全认证模块，其中发射天线阵与接收天线阵通过环形器，发射天线阵与接收天线阵可共用一个天线阵，发射天线阵的天线子阵与接收天线阵的天线子阵，分别通过馈线网络连接至相控阵发射组件和相控阵接收组件的各路射频信号处理单元，通过对射频信号处理单元中的移相器和衰减器赋值，实现对各天线子阵的相位和幅值控制，通讯控制模块负责基带的编码/解码、调制/解调、HDLC/DSRC通迅流程控制，同时，采集地感线圈接口信号，估算车辆位置和速度，计算出波控指令，通过波控接口，分别控制相控阵发射组件与相控阵接收组件的各路移相器和衰减器，实现波束跟踪车辆，电源通讯适配器和安全认证模块，实现天线与上位机的有线远距离通讯连接，并安装有安全认证模块PSAM卡。更具体来说，发射天线阵与接收天线阵分别与相控阵发射组件与相控阵接收组件电路连接，电源与通讯控制模块电路连接，通讯控制模块与相控阵发射组件、相控阵接收组件电路连接，通讯控制模块用于采集地感线圈接口信号，并根据进入到地感线圈的车辆估算车辆位置和速度，通过处理实时得出波控指令且通过波控接口，分别控制相控阵发射组件与相控阵接收组件的相位和幅值，波控接口将通讯控制模块输出的串行波控指令转换成相控阵发射组件和相控阵接收组件所需要的并行波控指令，相控阵发射组件与相控阵接收组件分别通过波控接口，接收通讯控制模块发出的车辆跟踪波控指令，形成跟踪车辆的射频波束，保证高速行进中车上的电子标签始终处于通讯区域内，实现通讯区域内连续可靠的通讯应用要求。
如图5，发射天线阵与接收天线阵均由微带天线构成，发射天线阵与接收天线阵均以1x6或1x8微带天线子阵作为基础结构，由4～10个子阵构成微带天线阵列，多个子阵的激励相位和激励幅度分别可控制调节，形成一维数字波束扫描即是形成一维扫描的数字波束，其中微带天线子阵中的6-8个贴片和多个子阵采用泰勒级数分布函数进行幅值加权，发射天线阵与接收天线阵的阵列尺寸由波束宽度最窄时的宽度值和副瓣电平确定，相位分布主要根据波束要求确定，在有源辐射单元的边上放置不馈电的无源辐射单元，改善辐射单元的阻抗特性，贴片采用矩形微带贴片，并通过对角线切角技术实现圆极化。
如图3，相控阵发射组件由4路射频信号处理单元组成。将DSRC通讯控制模块的射频信号RF_out作为激励输入，经功分器将激励信号馈给多路射频信号处理单元，射频信号处理单元对其进行放大、移相、衰减及功率放大，其中移相器和衰减器根据DSRC通讯控制模块通过波控接口发过来的波控指令，对射频信号进行移相和衰减（相位和幅值控制），经功率放大后的射频信号分别馈给4个发射天线子阵，最终在空间形成符合应用要求的波束。
如图4，相控阵接收组件也由4路射频信号处理单元组成。分别将4个接收天线子阵接收到的射频信号作为输入，射频信号处理单元对其进行放大、移相、衰减及功率放大，其中移相器和衰减器根据DSRC通讯控制模块通过波控接口发过来的波控指令，对射频信号进行移相和衰减（相位和幅值控制），经处理后的射频信号由功分器矢量叠加，形成对信号空间的方向性选择，再输出到DSRC通讯控制模块进行下变频和解调，解出基带数据。
根据ETC应用车辆跟踪精要求，可采用4～6位数的数字移相器和数字衰减器。相控阵接收和组件组件通过波控接口，接收DSRC通讯控制模块发出的车辆跟踪指令，形成跟踪车辆的射频波束，保证高速行进中的车上OBU始终处于通讯区域内，实现小通讯区域连续可靠通讯的应用要求，它是该发明的核心内容。
相控阵接收和组件组件的具体技术指标和技术要求：
技术指标：工作频率（吉赫）：发射：信道1：5.83，信道2：5.84；接收：信道1：5.79，信道2：5.80；
工作带宽：≤5兆赫；T/R开关时间：≤0.3微秒；发射功率：20分贝毫瓦≤Pout≤33分贝毫瓦（功率由软件可调）；发射输入功率：0～3分贝毫瓦；接收增益：23分贝≤Gain≤29分贝；噪声系数：5分贝；三阶交调：≤-55分贝c；杂散：≤-30分贝毫瓦；移相器：6bitRMS偏差≤6°；衰减器：6bit步长为0.5分贝；输入/输出驻波：≤2:1。
如图2，DSRC通讯控制模块为16位嵌入式ARM处理器，内置FLASH驻留摸块，包括射频PLL初始化、HDLC通讯协议、DSRC流程控制、上位机通讯协议、地感接口和车辆位置及速度估算、相控阵波控指令算法和安全认证协议，其中HDLC通讯接口输出下行基带数据TX，经RF集成发射电路以ASK方式调制在5.8吉赫载波上，产生射频输出作为相控阵发射组件的激励输入，相控阵接收组件输出射频信号，经RF集成接收电路下变频、解调出上行基带数据RX，并通过HDLC通讯接口进入ARM处理器。通讯控制模块在DSRC交易流程中，安排中国人民银行金融卡规范PBOC的双向安全认证，保证消费支付系统的安全性。
该发明还提供了一种应用于ETC系统的相控阵天线的使用方法，其中地感线圈设置有第一地感线圈、第二地感线圈、第三地感线圈和第四地感线圈（如果采用尺寸较小的地感线圈，也可设置更多的地感线圈）。
1）通过地感线圈接口信号确定车辆位置，当车辆进入第一地感线圈，射频波束对准车辆前部，发出无线电信标，唤醒车上的电子标签，建立通信链路进入自动收费流程；
2）通讯控制模块采集地感线圈接口信号，当检测到车辆进入第二地感线圈的信号，计算出车辆行驶速度，通过相控阵波控算法，实时得出移相器和衰减器控制数据，即波控指令；
3）波控指令通过波控接口输入相控阵收/发组件，各路收/发组件对调制有基带数据的微波信号，依据波控指令进行移相/衰减即相位和幅值控制、再经功率放大后，分别馈给对应的天线子阵，形成数字波束；
4）数字波束实时跟踪车辆前行，如果车辆到了第三地感线圈，自动收费流程还没有结束，通讯控制模块继续计算更新车辆位置、速度和波控指令，直到数字波束移动到栏杆跟前为止；
5）前车自动收费流程完成后，通讯控制模块跟据地感线圈接口信号判断第二辆车位置和行驶速度，通过相控阵波束控制算法，实时计算出对应第二辆车位置的移相器和衰减器控制指令，数字波束指向第二辆车前部，重复前辆车的自动收费流程。
前述波控指令即是给相位器、衰减器的串行控制指令，相控阵波束指无线扫描波束，相控阵波束的控制也就是相位和幅值的衰减控制，算法就是能获得准确无线扫描波束的控制算法。
基带是指信源（信息源，也称发终端）发出的没有经过调制（进行频谱搬移和变换）的原始电信号所固有的频带（频率带宽），称为基本频带，简称基带，该发明中是指载波用的5.82吉赫的射频信号，在基带里调制有收费的数字信息以后和OBU交换。FLASH是可擦写存储器，它把应用程序写入后和CPU一起能执行应用程序。PLL即指锁相环，用来统一整合时脉讯号，使内存能正确的存取资料HDLC（High Level DataLink Contro）一种通讯协议。DSRC专用短程通信通讯协议。
下面是更详细的该发明发射天线阵与由天线子阵构成的接收天线阵即收/发天线阵的基本组成及波速扫描原理。
1、收/发天线阵：该发明以1x6微带天线子阵作为ETC专用天线的基础结构。由4个子阵构成4x6微带天线阵列。4个子阵的激励相位和激励幅度分别可控制调节，实现一维数字波束扫描。
2、微带贴片天线基本原理：微带天线是在一个薄介质基材上，一面为金属箔层作为接地板，另一面光刻腐蚀出一定形状的金属贴片，利用微带线和轴线探针对贴片馈电，这就构成了微带天线。由若干贴片按一定规则排列和馈电则构成微带天线阵。若贴片馈电的相位和强度可实时调节控制，则构成相控阵天线。
3、微带贴片天线形状：贴片形状多种多样，常用的形状是矩形或圆形贴片。调整馈电方式和贴片形状可实现天线的不同极化方式，如线极化或圆极化。该发明中采用矩形微带贴片，并通过对角线切角技术实现圆极化，以满足ETC专用天线的极化指标要求。
4、微带天线的分析方法：微带天线进行工程设计时，要对天线的性能参数（例如方向图、方向性系数、效率、输入阻抗、极化和频带等）预先估算，这将大大提高天线研制的质量和效率，降低研制的成本。这种理论工作的开展，带来了多种分析微带天线的方法，例如传输线、腔模理论、格林函数法、积分方程法和矩量法等。用上述各种方法计算微带天线的方向图，其结果是一致的，特别是主波束。该发明利用微带传输线基本理论、微带贴片天线谐振原理以及史密斯圆图理论知识对此微带阵列天线进行分析。
5、阵列天线原理：阵列天线的定义是一类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。采用多个单元组成一个天线与单个全向天线单元相比，具有更强方向性的总辐射图。就2011年前天线通信知识和技术的迅速发展，以及国际上对天线的诸多研究方向的提出，都促使了新型天线的诞生，阵列天线就是研究的一种方向。就发射天线来说，简单的辐射源比如点源、对称振子源是常见的构成阵列天线的辐射源，它们按照直线或者更复杂的形式，根据天线馈电电流，间距，电长度等不同参数来构成阵列，以获取最好的辐射方向性。可以根据需求，按某种规律调节辐射方向和强度，由此产生出了诸如现代移动通信中使用的智能天线、相控阵天线等。在不久的将来，这些高技术含量的天线将会带给我们同样高质量的通信环境。该发明中通过综合考虑所要实现的微带阵列天线的各项性能参数要求，并尽可能的减小天线整体尺寸，决定采用4x6（共24个单元）阵列天线，来实现高效率高性价比ETC系统的应用需求。
6、阵列单元幅值加权原理：同一组物理阵列单元可以形成不同的天线辐射图，这样可以允许接收器调整主波束方向与增益，以及有效控制旁瓣电平大小，从而实现正确的信号接收。这也使得在生产这类天线时，一种天线尺寸可以适用于多种用途。即可以建立一个基本的单元结构，单元形成的辐射图可以由用户通过调整单元激励的方式来改变辐射图的形成。实现加权的方法主要有两种：一种是通过在单元输入链路上引入射频信号增益控制器（比如，增益可调放大器或可编程信号衰减器等）；另一种是通过馈电网络实现按照不同比例进行功率分配。加权的主要算法：常用的加权算法有切比雪夫分布函数（Chebyshev）、泰勒分布函数（Taylor）以及余弦分布函数（Cosine-on-pedestal）等。该发明中决定首先采用泰勒级数分布函数对微带天线子阵中的6个贴片和4个子阵进行幅值加权，通过严谨的阻抗匹配及馈电方式，合理分配各个单元的输入功率，以达到提高天线主波瓣方向增益，改善天线的方向性，降低旁瓣电平幅值的目的。
7、微带阵列天线仿真：常用的仿真方法包括遗传算法、神经网络、有限元分析法以及时域有限差分法等。随着电磁场商用仿真软件的快速发展，出现了以AnsoftHFSS、CSTStudio、IE3D以及ADSMomentum等很多优秀的仿真工具。通过对这些商用软件的灵活使用，可以提高天线电磁仿真的准确性，并有效降低仿真工作所需要的时间，从而大大缩短研发时间，节约开发成本.
8、相控阵天线基本原理：即是相控阵波束控制算法的原理，其中控制算法公式：dsinθ＝λΦ/2π，通过这个公式能获得准确无线扫描波束的控制算法。
如图6-7，相控阵天线是通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变方向图形状的天线。控制相位可以改变天线方向图最大值的指向，以达到波束扫描的目的。在特殊情况下，也可以控制副瓣电平、最小值位置和整个方向图的形状，例如获得余割平方形方向图和对方向图进行自适应控制等。
在图6中，显然波束偏转角度θ与移相器移相值Φ存在下列表达式关系：dsinθ＝λΦ/2π。其中：θ为波束偏转角度单位：弧度；Φ为移相器移相值单位：弧度；d为子阵间的间距单位：毫米；λ为波长单位：毫米。衰减器的赋值的计算，为了拟制旁瓣的电平按照泰勒分布函数（Taylor）加权计算衰减器的赋值。
用机械方法旋转天线时，惯性大、速度慢，相控阵天线克服了这一缺点，波束的扫描速度高。它的馈电相位一般用电子计算机控制，相位变化速度快（毫秒量级），即天线方向图最大值指向或其他参数的变化迅速。这是相控阵天线的最大特点。在天线体积和重量都很大的情况下，应用相控阵天线比较方便。一般为了节省移相器和简化控制线路，有时几个辐射单元共用一个移相器。共用一个移相器的单元组合称为子阵。
相控阵天线的关键器件是移相器和天线辐射单元。移相器分连续式移相器和数字式移相器两种。连续式移相器的移相值可在0°～360°范围内连续变化，数字式移相器的移相值是离散的，只能是360×1/2n度的整数倍，式中n是数字式移相器的位数。例如3位数字式移相器的移相值只能是45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°和360°。移相器应保证在一定的频率范围内获得所需要的移相值，同时还需要满足一定的耐功率和温度稳定性等要求，以保证相控阵天线能在不同频率上和在变化的环境条件下正常工作。
天线辐射单元的设计应使一定移相范围内（或波束扫描范围内）和一定频率范围内的输入阻抗的变化尽可能小，以保证发射机正常工作，防止由于射频信号的多次反射而出现寄生副瓣和方向图中出现凹点（盲点）的现象。为此，可采用互耦小的单元或采取专门的去耦措施。
馈电方式：相控阵天线的馈电方式分传输线馈电和空间馈电两种。在传输线馈电方式下，射频能量通过波导、同轴线和微带线（见微带线和类微带线）等微波传输线馈电给辐射单元。移相器置于微波传输线路内。在空间馈电方式下，发射机产生的射频能量通过辐射装置辐射至自由空间，传输一段距离后由一个接收阵接收，接收阵的每个单元或一组单元所接收到的信号，经过移相器移相后再馈给发射阵的发射单元并辐射出去。在这种情况下，移相器位于发射阵和接收阵之间。空间馈电的馈电线路简单，但需要增加一个接收阵。传输线馈电的馈电线路复杂。
设计：相控阵天线阵列本身的设计主要是幅度、相位分布设计和单元阻抗设计。阵列尺寸由波束宽度最窄时的宽度值和副瓣电平决定。相位分布主要根据波束要求而定。由于单元方向图和阻抗的限制，通常平面相控阵最大扫描范围为±60°的圆锥，加上一个球罩透镜后也可得到半球扫描。
若仅要求方向图最大值在空间移动（扫描），只需要形成线性变化的相位分布。这时方向图的最大值方向垂直于等相位面。使用数字式移相器时，除了几个特殊角度以外，一般得不到精确的线性相位分布。这时在方向图的某些方向上会出现寄生副瓣，其大小与具体的相位分布规律有关。为了满足特殊要求，则需要采用方向图综合法，事先算出所需的阵面相位分布。例如，可以将阵面分成若干个区域，把每一区域都看成独立的阵面来设计这个阵的方向图，这样就能在空间得到多个同时存在的波束，也可以利用特殊的相位分布使方向图变宽或形成余割平方形方向图。
为了简化馈电结构，有些相控阵天线是等幅度的。为了克服等幅分布时副瓣电平高的缺点，可采用密度加权，即有源辐射单元在阵面上的分布是不均匀的，其分布密度按一定的规律变化。在有源辐射单元的边上放置不馈电的无源辐射单元，以改善辐射单元的阻抗特性。
相控阵天线辐射单元的数量多，当失效单元数在5％以下时对天线阵性能的影响不大，因而可靠性较高。随着微波集成电路技术的发展和新型移相器的出现，相控阵天线的成本正不断下降，体积越来越小，重量也在进一步减轻。该发明中首先利用微带贴片天线原理估算出贴片尺寸，并通过切角以实现圆极化要求，再通过泰勒级数分布函数计算出微带阵列天线24个独立辐射单元的幅值加权大小，再利用AnsoftHFSS仿真软件进行仿真并优化。
