帶內(nèi)全雙工通信中天線自干擾抑制研究進(jìn)展

孫國營　劉偉榮

關(guān)鍵詞：帶內(nèi)全雙工；自干擾抑制；天線；無線通信

隨著5G 和6G 等新一代無線通信技術(shù)的部署與研制，各種多樣化的信息服務(wù)業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)。然而，新的無線通信服務(wù)場(chǎng)景、服務(wù)質(zhì)量以及相關(guān)技術(shù)的升級(jí)等都需要大量的頻譜資源開銷，這使得頻譜資源日益緊張。

為了解決這一問題，研究人員提出了許多技術(shù)和方法，以提高頻譜利用率，其中帶內(nèi)全雙工（IBFD， in-bandfull-duplex） 無線通信技術(shù)因其能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)點(diǎn)間同一頻段同時(shí)進(jìn)行無線信號(hào)的發(fā)送和接收，而受到越來越多國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注和研究[1-3]。

與廣泛采用的時(shí)分雙工和頻分雙工通信模式相比，IBFD 技術(shù)可以成倍地提高頻譜資源的利用率，但不可避免地，該技術(shù)還是面臨著自干擾（self-interference，SI）信號(hào)難以消除的技術(shù)問題。針對(duì)帶內(nèi)全雙工系統(tǒng)進(jìn)行SI 抑制是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)問題，需要結(jié)合天線、射頻以及數(shù)字信號(hào)處理等多個(gè)方面的自擾抑制技術(shù)，才能達(dá)到期望的抑制效果。作為SI 信號(hào)泄漏到接收端的主要途徑，收發(fā)天線間的自擾抑制性能往往對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的SI 消除具有很大的影響。因而，帶內(nèi)全雙工系統(tǒng)收發(fā)天線間的自干擾抑制技術(shù)研究具有重要意義。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者在這一領(lǐng)域進(jìn)行了深入的探討和研究，提出了大量可行的技術(shù)方案，逐步實(shí)現(xiàn)了IBFD 無線通信中收發(fā)天線間SI 的有效抑制。文中將對(duì)當(dāng)前IBFD 無線通信系統(tǒng)中的收發(fā)天線自擾抑制方案進(jìn)行研究，闡述當(dāng)前該領(lǐng)域的相關(guān)研究進(jìn)展，總結(jié)不同自擾抑制方案所采用的技術(shù)手段和實(shí)現(xiàn)機(jī)理。通過對(duì)不同方案的匯總比較，分析不同方案的優(yōu)勢(shì)和不足，并結(jié)合當(dāng)前的研究現(xiàn)狀，展望未來該領(lǐng)域的研究和發(fā)展方向。

一、IBFD 通信收發(fā)天線自擾抑制基本方法及原理

IBFD 通信的應(yīng)用場(chǎng)景主要有定向通信場(chǎng)景和全向無線信號(hào)覆蓋。針對(duì)不同收發(fā)天線的應(yīng)用場(chǎng)景和天線形式，研究者們提出了不同形式的收發(fā)天線自擾抑制設(shè)計(jì)方案。整體來看，IBFD 收發(fā)天線主要可以分為收發(fā)共用和收發(fā)分離兩種設(shè)計(jì)模式。收發(fā)共用式方案的收發(fā)天線往往共用一個(gè)結(jié)構(gòu)體，而收發(fā)分離式方案一般采用分離式的收發(fā)天線配置模式。

兩種設(shè)計(jì)方案在設(shè)計(jì)模式上具有很大的差異，因而采用的自擾抑制方案也有很大不同。收發(fā)天線共用式場(chǎng)景下主要有正交極化、混合環(huán)、SI 消除饋電網(wǎng)絡(luò)和柵欄- 帶狀線諧振器加載結(jié)構(gòu)等SI 抑制方法。其中，正交極化方式利用了正交極化天線之間的極化隔離來實(shí)現(xiàn)SI 抑制；混合環(huán)和SI 消除饋電網(wǎng)絡(luò)則通過實(shí)現(xiàn)多路自擾信號(hào)間的相消疊加來提升自擾抑制水平。收發(fā)分離式場(chǎng)景中自干抑制的相關(guān)研究較多，通過對(duì)這類方法進(jìn)行研究，文中總結(jié)了以下主要的方法：

①增大收發(fā)天線的分布距離或者優(yōu)化收發(fā)天線排布。這類方法中，增加收發(fā)天線間的距離可以直接降低自擾信號(hào)在接收天線處的信號(hào)強(qiáng)度，而優(yōu)化收發(fā)天線的排布方式則可以通過改進(jìn)收發(fā)天線的位置，使得接收天線處于發(fā)送天線的弱輻射區(qū)域，從而降低在接收天線處的自擾信號(hào)強(qiáng)度。

②雙發(fā)送天線加單接收天線模式。該類方法采用不同的收發(fā)天線配置數(shù)量，發(fā)送天線采用雙天線，接收天線處采用單天線配置。其基本思想是通過兩個(gè)發(fā)送天線的反向配置，在接收天線處產(chǎn)生兩路發(fā)送天線干擾信號(hào)的反相位疊加，從而實(shí)現(xiàn)接收天線處總SI 信號(hào)的抑制。

③增加新的干擾信號(hào)傳播路徑。該類方法的主要思想是人為地增加一條新的SI 信號(hào)傳播路徑，從而實(shí)現(xiàn)在接收天線處兩路SI 信號(hào)的疊加，通過適當(dāng)調(diào)整兩路干擾信號(hào)的到達(dá)相位，實(shí)現(xiàn)兩路SI 信號(hào)的相互抵消。

④采用正交極化的收發(fā)天線。這類方法中發(fā)送天線采用一種極化方式，接收天線采用另一種正交的極化方式，通過利用正交極化的收發(fā)天線之間的高隔離度來降低IBFD 系統(tǒng)中自擾信號(hào)的強(qiáng)度。其中，采用的極化方式可以是正交的線極化方式（水平和垂直極化）或者是相互正交的圓極化方式（左旋圓極化和右旋圓極化）。

⑤利用高阻抗表面或電磁帶隙結(jié)構(gòu)。該類方法在收發(fā)天線之間添加高阻抗表面或者電磁帶隙結(jié)構(gòu)，通過特殊的高阻抗結(jié)構(gòu)增大SI 信號(hào)在傳播過程中的損耗，從而降低接收天線處SI 信號(hào)的信號(hào)功率，達(dá)到抑制SI 的目的。

二、收發(fā)共用場(chǎng)景下的SI抑制

收發(fā)天線共用場(chǎng)景由于可以有效地節(jié)省系統(tǒng)空間，近幾年得到了較多關(guān)注。研究者們提出了一些在該場(chǎng)景下有效的SI 抑制方法，其中有3dB 環(huán)形混合耦合器、柵欄- 帶狀線諧振器、干擾抑制饋電網(wǎng)絡(luò)等多種新穎的方法，下文將詳細(xì)介紹相關(guān)的研究進(jìn)展。

（一）共用單輻射體結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[4] 中提出了一種共用U 形腔體結(jié)構(gòu)的自擾抑制收發(fā)天線結(jié)構(gòu)。該收發(fā)天線系統(tǒng)中，發(fā)送天線為單縫隙結(jié)構(gòu)，接收天線為雙縫隙結(jié)構(gòu)。通過兩種不同形式的饋電方式，收發(fā)天線實(shí)現(xiàn)了兩種正交的線極化工作模式。經(jīng)實(shí)際加工測(cè)試，該方案在3.4G-3.8GHz 頻帶上實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于43dB 的收發(fā)隔離。基于正交極化和3dB 環(huán)形混合耦合器，文獻(xiàn)[5] 中設(shè)計(jì)了一款共用輻射貼片形式的IBFD 通信收發(fā)天線。該方案中收發(fā)天線共用同一個(gè)輻射貼片，發(fā)送端口采用傳統(tǒng)的邊緣中心饋電方法進(jìn)行饋電，接收端口采用與發(fā)送端口極化正交的雙端口饋電模式，從而使收發(fā)端口呈現(xiàn)正交極化（如圖2 所示）。通過結(jié)合3dB 環(huán)形混合耦合器的差模饋電模式，該方案在2.5GHz 頻率處實(shí)現(xiàn)了高于40dB 的SI 抑制（50MHz 帶寬上）。

文獻(xiàn)[6] 中提出了一種基于柵欄- 帶狀線諧振器的同極化IBFD 收發(fā)天線設(shè)計(jì)方案。該方案中收發(fā)端口采用所示的同極化饋電方式。為了降低同極化饋電時(shí)收發(fā)端口之間的SI，方案中在收發(fā)端口之間設(shè)計(jì)了一個(gè)柵欄-帶狀線諧振器結(jié)構(gòu)。通過該結(jié)構(gòu)將收發(fā)天線的諧振模式轉(zhuǎn)變?yōu)榘隩M01 模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射天線輻射電流的約束，從而在2.4G-2.52GHz 的帶寬上實(shí)現(xiàn)了收發(fā)端口間高于20dB 的端口隔離度。

與此上述方案不同，文獻(xiàn)[7] 提出了一種雙差分饋電結(jié)的IBFD 收發(fā)天線設(shè)計(jì)方案。如圖3 所示， 該方案中采用收發(fā)共用一個(gè)矩形貼片的結(jié)構(gòu)，在貼片的四個(gè)邊分別進(jìn)行差分模式的饋電，從而實(shí)現(xiàn)收發(fā)天線的正交的極化模式。為了有效抑制收發(fā)天線間的自擾，該方案中收發(fā)天線端口分別采用3dB 180 度環(huán)形耦合環(huán)對(duì)貼片進(jìn)行饋電。通過以上設(shè)計(jì)，該方案實(shí)現(xiàn)了在20MHz 帶寬上優(yōu)于90dB 的SI 抑制。

（二）共用多輻射體結(jié)構(gòu)

除了單輻射結(jié)構(gòu)，采用多輻射貼片收發(fā)天線的自擾抑制方案也已經(jīng)有了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[8] 提出了一種多輻射貼片結(jié)構(gòu)的共圓極化IBFD 收發(fā)天線自擾抑制方案。該方案中采用圖4 所示的四個(gè)環(huán)形排布的方形金屬片作為輻射結(jié)構(gòu)，收發(fā)天線端口均通過相應(yīng)的饋電網(wǎng)絡(luò)連接到四個(gè)輻射貼片上。為了降低收發(fā)端口之間的SI，兩種不同模式的饋電網(wǎng)絡(luò)分別被用來給四個(gè)輻射貼片饋電。最終，在收發(fā)天線共圓極化的基礎(chǔ)上，該方案實(shí)現(xiàn)了2.4—2.5GHz 頻帶內(nèi)優(yōu)于40dB 的收發(fā)隔離。

與此類似，文獻(xiàn)[9] 中設(shè)計(jì)了一種由四個(gè)共用電偶極子作為輻射單元的IBFD 收發(fā)天線方案。為抑制收發(fā)天線間的SI，方案中采用兩個(gè)180 度混合耦合器和一個(gè)90 度混合耦合器組成的6 端口網(wǎng)絡(luò)為收發(fā)天線進(jìn)行饋電。通過饋電網(wǎng)絡(luò)中SI 信號(hào)的混合抵消，上述方案實(shí)現(xiàn)了在4.81—5.88GHz 頻帶上優(yōu)于40dB 的SI 抑制。

三、收發(fā)分離場(chǎng)景下的SI抑制

相較于共用式的收發(fā)天線方案，收發(fā)分離式方案中SI 抑制研究已經(jīng)有很多相關(guān)的研究基礎(chǔ)。在多天線耦合抑制方面，已經(jīng)提出了超表面結(jié)構(gòu)、蜿蜒線諧振器、陶瓷覆層、中和線、分形缺陷地結(jié)構(gòu)、陷波結(jié)構(gòu)和寄生元等多種技術(shù)方案[10-18]。在IBFD 收發(fā)天線的SI 抑制上，這些方法同樣具有借鑒意義。近些年，通過在不同方向的研究實(shí)踐，研究者們?cè)谑瞻l(fā)分離式的IBFD 收發(fā)天線自擾抑制方面取得了較多成果。根據(jù)所采用的收發(fā)天線形式，這些成果主要可以分成全向和定向收發(fā)天線兩類。

（一）全向收發(fā)天線間SI 抑制

全向輻射收發(fā)間SI 抑制方面，文獻(xiàn)[19] 基于兩種不同形式全向收發(fā)天線，提出了一種高收發(fā)隔離的收發(fā)天線方案。在這種方案中，發(fā)送天線采用旋轉(zhuǎn)柵門結(jié)構(gòu)的T 形單極子結(jié)構(gòu)，接收天線則采用中心對(duì)稱排布的同相位四偶極子形式。通過兩種形式之間的模式差異，實(shí)現(xiàn)了高于37dB 收發(fā)自擾抑制。

文獻(xiàn)[20-21] 則針對(duì)印刷線性排布偶極子形式的收發(fā)天線的SI 進(jìn)行研究，分別提出了H 形網(wǎng)格和漸變環(huán)印制SI 抑制結(jié)構(gòu)，均實(shí)現(xiàn)了收發(fā)天線間SI 優(yōu)于50dB 的SI 抑制。此外，文獻(xiàn)[22] 中提出了一種采用倒錐單極子和環(huán)形彎曲環(huán)陣列提出了一種具有全向輻射特性的收發(fā)天線方案。該方案采用正交的收發(fā)極化方式，在0.6G-1.75GHz 的寬頻帶上實(shí)現(xiàn)了高于40dB 的SI 抑制。

（二）定向收發(fā)天線間SI抑制

定向分離式收發(fā)天線方面，文獻(xiàn)[23] 通過對(duì)線性排布的微帶收發(fā)天線間的SI 抑制進(jìn)行研究，提出了一種基于缺陷地結(jié)構(gòu)和近場(chǎng)去耦結(jié)構(gòu)SI 抑制方案。該方案中，收發(fā)天線采用兩個(gè)間距僅為0.01 倍波長的微帶天線。為了降低兩個(gè)收發(fā)天線的SI，該方案中在兩個(gè)天線間添加了缺陷地結(jié)構(gòu)和Z 字形連接結(jié)構(gòu)。通過繞射波和耦合波之間的反相位疊加，實(shí)現(xiàn)了在5.85GHz 附近優(yōu)于90dB的自干擾抑制水平。

文獻(xiàn)[24] 中采用可以重構(gòu)的反射性負(fù)載實(shí)現(xiàn)了收發(fā)天線間的可控SI 抑制（如圖5 所示）。當(dāng)SI 抑制端口處于工作狀態(tài)時(shí)，該方案收發(fā)天線能夠在300MHz 帶寬上實(shí)現(xiàn)高于50dB 的SI 抑制。與上述方案不同，文獻(xiàn)[25]則基于分離的雙接收和單發(fā)送結(jié)構(gòu)提出了一種具有自擾抑制的IBFD 收發(fā)天線方案。該方案中收發(fā)天線整體為線性排布，兩個(gè)接收天線為同極化反向工作模式。發(fā)送天線放置在兩個(gè)接收天線之間，采用與接收天線正交的極化方式。在SI 消除方面，兩個(gè)接收天線采用3 端口環(huán)形耦合器進(jìn)行饋電，從而實(shí)現(xiàn)兩路反相SI 的抵消。實(shí)際測(cè)試結(jié)構(gòu)表明，該方案能夠在150MHz 帶寬上實(shí)現(xiàn)大于60dB 的SI 抑制。

此外，文獻(xiàn)[26] 中提出了一種采用雙發(fā)送和雙接收配置的收發(fā)天線方案。該方案采用環(huán)形排布微帶天線陣列，其中，左右兩個(gè)為接收單元，上下兩個(gè)為發(fā)送單元，接收和發(fā)送單元通過采用平衡饋電方式實(shí)現(xiàn)右旋圓極化工作模式。通過近場(chǎng)抵消方式，實(shí)現(xiàn)了在100MHz 頻帶上高于70dB 的自干擾抑制。

四、不同SI 抑制技術(shù)比較及展望

為了更加清晰直觀地比較不同類型SI 抑制方案的性能，文中選取了比較具有代表性的方案從收發(fā)天線配置、極化方式、自擾抑制方法、工作頻段、SI 抑制水平等五個(gè)方面進(jìn)行比較。

表1 中給出了收發(fā)共用場(chǎng)景下不同自擾抑制方案對(duì)比。如表1 所示，相比于采用收發(fā)同極化的配置方案，收發(fā)正交極化天線方案能夠達(dá)到自擾抑制水平相對(duì)較低。這是由于正交極化的收發(fā)天線之間的極化隔離能夠在一定程度上提升SI 抑制水平。

另外，采用SI 抑制饋電網(wǎng)絡(luò)能夠有效地提升收發(fā)端口間的自擾抑制水平。如果將收發(fā)正交極化和自擾抑制網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，則可以實(shí)現(xiàn)非常有效的收發(fā)天線間SI抑制，文獻(xiàn)[7] 將兩種方案結(jié)合后實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于80dB 自擾抑制。

表2 中對(duì)收發(fā)分離場(chǎng)景下不同自擾抑制方案進(jìn)行對(duì)比。從表中可以看出，收發(fā)分離場(chǎng)景下，陷波諧振器、新增SI 消除網(wǎng)絡(luò)、正交極化、新增反射端口等多種方式均在該場(chǎng)景下得到了應(yīng)用，并取得了一定效果。而且，不同的收發(fā)天線配置對(duì)所采用的自擾抑制手段有較大限制，有效地實(shí)現(xiàn)SI 抑制需要根據(jù)收發(fā)配置來選擇合適的抑制方法。此外，相對(duì)于單一手段，多種自擾抑制手段結(jié)合能夠更加有效地實(shí)現(xiàn)自擾抑制。

從收發(fā)共用和收發(fā)分離配置模式的對(duì)比來看，收發(fā)共用模式具有占用系統(tǒng)空間小、便于集成的優(yōu)勢(shì)，但能夠采用的自干擾抑制方法較少。SI 抑制饋電網(wǎng)絡(luò)和正交極化是兩種比較有效的自擾抑制手段。收發(fā)分離場(chǎng)景占用系統(tǒng)空間較大，但是具有能夠靈活地采用多種收發(fā)天線的配置方式的優(yōu)勢(shì)，因而能夠采用的自干擾抑制手段較多。因而，在SI 抑制技術(shù)方案選擇方面，需要綜合考慮空間大小、應(yīng)用場(chǎng)景、技術(shù)指標(biāo)、靈活度等多方面因素。綜合目前的研究現(xiàn)狀，筆者認(rèn)為后續(xù)SI 抑制研究可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：

①寬帶的SI 抑制饋電網(wǎng)絡(luò)研究。目前相關(guān)的研究中提出的SI 抑制饋電網(wǎng)絡(luò)均存在窄工作頻帶問題，如何提升SI 抑制饋電網(wǎng)絡(luò)的工作帶寬是一個(gè)有意義的研究問題。

②可重構(gòu)SI 抑制結(jié)構(gòu)的研究?？芍貥?gòu)抑制結(jié)構(gòu)具有根據(jù)不同的應(yīng)用需求，靈活的改變自身的工作頻帶的特性，因而在具有重要的應(yīng)用價(jià)值。目前在該方面的研究相對(duì)較少，相關(guān)可行的方案的提出將會(huì)是一個(gè)新的突破。

③多種SI 抑制技術(shù)方案結(jié)合。現(xiàn)有研究表明多種自干擾抑制技術(shù)的結(jié)合能夠有效地提升SI 抑制性能，如果能夠巧妙地將多種SI 抑制技術(shù)結(jié)合，SI 抑制水也會(huì)有一定的提升。

④利用收發(fā)天線間的模式隔離。不同形式天線之間具有不同的工作模式，如果能實(shí)現(xiàn)不同工作模式的收發(fā)天線間有效集成，可以利用天線模式的差異實(shí)現(xiàn)SI 抑制。

五、結(jié)束語

本文主要對(duì)當(dāng)前IBFD 無線通信系統(tǒng)中的收發(fā)天線自擾抑制方案進(jìn)行綜述，詳細(xì)介紹了該領(lǐng)域的相關(guān)研究進(jìn)展。根據(jù)收發(fā)天線配置方式的不同，本文將相關(guān)研究整體上劃分為收發(fā)共用場(chǎng)景和收發(fā)分離場(chǎng)景兩大類進(jìn)行匯總比較，并展望了該領(lǐng)域未來的研究方向。

從比較研究的結(jié)果來看，收發(fā)共用場(chǎng)景便于系統(tǒng)集成，但能夠采用的SI 抑制手段較有限，主要有正交極化、改變天線工作模式和SI 抑制饋電網(wǎng)絡(luò)等三種主要方式。相比之下，收發(fā)共用場(chǎng)景中能夠采用的SI 抑制手段較豐富，但需要根據(jù)收發(fā)天線配置模式來選擇合適SI 抑制技術(shù)方案。當(dāng)前該領(lǐng)域已經(jīng)有很多相關(guān)研究報(bào)道，但整體上仍然存在收發(fā)自干擾抑制水平低、可用帶寬窄、未進(jìn)行實(shí)際場(chǎng)景驗(yàn)證等問題。在后續(xù)的研究中，可以根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，在目前研究的基礎(chǔ)上針對(duì)以上問題進(jìn)行研究。

作者單位：孫國營 杭州海康威視科技有限公司

劉偉榮 濟(jì)寧學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院