鄭曉冬，申建華，李 敏，姚志會(huì)

(1.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081；2.中國(guó)人民解放軍32021部隊(duì)，北京 100094)

0 引言

同時(shí)同頻全雙工是指一套通信設(shè)備或裝置，在相同的時(shí)間和頻率資源上，同時(shí)發(fā)射并接收電磁信號(hào)，其在理論上能夠倍增現(xiàn)有頻譜效率與系統(tǒng)容量。然而發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號(hào)會(huì)泄露到接收機(jī)，對(duì)接收機(jī)形成強(qiáng)自干擾。自干擾會(huì)導(dǎo)致接收機(jī)性能的急劇惡化。因此，實(shí)現(xiàn)同時(shí)同頻全雙工的關(guān)鍵是如何有效地抑制自干擾。

目前，自干擾抑制技術(shù)可以分為3類：空域自干擾抑制技術(shù)[1-2]、射頻域自干擾抑制技術(shù)[3-4]和數(shù)字域自干擾抑制技術(shù)[5-7]?？沼蜃愿蓴_抑制技術(shù)是在天線間構(gòu)建陷波結(jié)構(gòu)，從而最大限度地抑制發(fā)射天線泄露至接收天線的自干擾信號(hào)能量[8-11]。射頻域自干擾抑制技術(shù)利用已知的發(fā)射信號(hào)來(lái)構(gòu)造一路信號(hào)，在模擬接收端與自干擾信號(hào)完成對(duì)消[12-14]。數(shù)字域自干擾抑制技術(shù)利用本地已知的數(shù)字基帶信號(hào)來(lái)構(gòu)造一路信號(hào)，在數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程中濾除自干擾信號(hào)[15]。

空域自干擾抑制技術(shù)是在源頭上限制自干擾信號(hào)的方法，是減少自干擾信號(hào)對(duì)接收支路影響的最可靠方法。國(guó)內(nèi)外對(duì)于空域自干擾信號(hào)的濾除方法已經(jīng)有不少研究與應(yīng)用。通過(guò)對(duì)被動(dòng)自干擾抑制的定向隔離、吸收屏蔽和交叉極化3個(gè)關(guān)鍵機(jī)制進(jìn)行研究，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知這些被動(dòng)抑制機(jī)制可以有效抑制天線間的自干擾，然而對(duì)高反射環(huán)境對(duì)自干擾抑制造成的影響并無(wú)效果[16]。通過(guò)緊湊型MIMO全雙工中繼的數(shù)字自干擾消除算法，在陷波陷阱的基礎(chǔ)上可提供60～70 dB的無(wú)源隔離，但該天線的應(yīng)用場(chǎng)景單一，發(fā)射天線與接收天線的擺放位置必須是背靠背的關(guān)系[17]。

本文主要研究在常規(guī)應(yīng)用系統(tǒng)中的同時(shí)同頻全雙工微波天線設(shè)計(jì)。發(fā)射天線與接收天線處于同一水平面內(nèi)，符合現(xiàn)代微波相控陣天線陣列的應(yīng)用需求。通過(guò)合理設(shè)計(jì)陷波結(jié)構(gòu)，在C波段可實(shí)現(xiàn)42 dB的無(wú)源信號(hào)隔離，為同時(shí)同頻全雙工系統(tǒng)的構(gòu)建創(chuàng)造了有利的工作條件。

1 天線模型

在陣列系統(tǒng)中，微帶天線是一種常用的天線單元結(jié)構(gòu)。采用正交饋電技術(shù)，微帶天線能夠很容易實(shí)現(xiàn)圓極化，并實(shí)現(xiàn)較好的軸比特性。但是，在微帶陣列系統(tǒng)中，由于天線單元之間共地，表面波的存在會(huì)使天線單元之間存在一定程度的互擾，天線之間的隔離度會(huì)比較差，一般需要對(duì)天線單元進(jìn)行波消除接收設(shè)計(jì)。

消除結(jié)構(gòu)是一種電磁波諧振結(jié)構(gòu)，能夠有效控制地板上的表面電流。根據(jù)傳輸線理論，短路1/4波長(zhǎng)傳輸線的輸入阻抗會(huì)非常高，這就導(dǎo)致在傳輸線末端的輸入電流會(huì)非常小，有大量的電流限制在傳輸線內(nèi)部。通過(guò)在微帶天線的底板上加載1/4波長(zhǎng)貼片枝節(jié)能夠有效提高單元之間的隔離度，減少天線單元之間的自干擾。

基于諧振陷波結(jié)構(gòu)的發(fā)射/接收微帶天線基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。發(fā)射/接收微帶天線基本結(jié)構(gòu)包含一個(gè)發(fā)射天線，如圖1(a)中第I部分，一個(gè)接收天線，如圖1(a)中第II部分。2個(gè)天線并排放置，構(gòu)成一個(gè)基本單元，是組成陣列天線的一個(gè)基本結(jié)構(gòu)。首先分析一個(gè)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)內(nèi)2個(gè)天線之間的信號(hào)隔離度，然后在陣列天線的范疇內(nèi)分析其整體效果。微帶天線采用的介質(zhì)板材為Rogers TMM 10(tm)，其介電常數(shù)為9.2，天線工作頻率設(shè)計(jì)為C波段3 750～3 950 MHz。

圖1 C波段全雙工天線基本結(jié)構(gòu)

圖1(a)中，發(fā)射天線配置為左旋圓極化，接收天線配置為右旋圓極化。天線整體高度L1為30 mm，天線口徑L4為12.5 mm。在發(fā)射天線四周設(shè)計(jì)有4組諧振結(jié)構(gòu)，每個(gè)諧振結(jié)構(gòu)由分布在上表面的1/4波長(zhǎng)貼片和側(cè)表面的1/4波長(zhǎng)貼片構(gòu)成，貼片長(zhǎng)度L2為29 mm，貼片高度H2為2 mm。發(fā)射/接收微帶天線基本結(jié)構(gòu)側(cè)視圖如圖1(b)所示，天線整體高度H1為2.5 mm，天線表面銅皮厚度H3為4 μm。側(cè)表面的貼片與地板相連，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)天線的立體效果圖如圖2所示。

圖2 C波段全雙工天線基本結(jié)構(gòu)立體圖

2 天線仿真結(jié)果

應(yīng)用圖1所示的全雙工天線基本結(jié)構(gòu)，在HFSS軟件中進(jìn)行建模仿真，并與不含諧振陷波結(jié)構(gòu)的模型進(jìn)行比較。收發(fā)天線間的隔離度定義為接收天線端口接收到的能量與發(fā)射天線輻射出的總能量之差。圖3為2種基本結(jié)構(gòu)收發(fā)天線在相同饋電功率激勵(lì)下，天線表面電流分布的仿真結(jié)果。對(duì)比2種結(jié)構(gòu)下的天線表面電流分布情況，對(duì)于不包含諧振結(jié)構(gòu)的天線，其表面電流分布在收發(fā)天線交界處是緩變的電流分布，耦合至接收天線處的功率較多；對(duì)于包含諧振結(jié)構(gòu)的天線，由于諧振結(jié)構(gòu)的作用，在收發(fā)天線交界處的電流分布出現(xiàn)階梯下降，表面波的傳輸路徑被切斷，因此耦合至接收天線處的電流被減弱。

圖3 天線表面電流分布仿真結(jié)果

圖3虛線處為天線橫截面，橫截面處的表面電流數(shù)值提取如圖4所示。其中，虛線為不包含陷波結(jié)構(gòu)的電流數(shù)值，實(shí)線為包含陷波結(jié)構(gòu)的電流數(shù)值。從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，在陷波結(jié)構(gòu)的作用下，表面電流明顯下降，天線間耦合作用減弱。在天線交界面處(圖4中30 mm位置)，不包含陷波結(jié)構(gòu)的電流曲線斜率為0.5 mA/mm；包含陷波結(jié)構(gòu)的電流曲線斜率為1.2 mA/mm，說(shuō)明陷波結(jié)構(gòu)的作用是非常明顯的。

圖4 橫截面處電流分布

耦合到接收天線處的電磁波能量可通過(guò)收發(fā)天線間隔離度仿真結(jié)果分析和比較，2種結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果如圖5所示，其中，虛線為不含諧振陷波結(jié)構(gòu)模型的收發(fā)天線隔離度，實(shí)線為包含諧振陷波結(jié)構(gòu)的收發(fā)天線隔離度。由圖5可知，對(duì)于不含諧振陷波結(jié)構(gòu)的模型，接收天線與發(fā)射天線間的隔離度主要受空間隔離和極化隔離的作用，約可提供23 dB的隔離度。從目前的陣列天線工程設(shè)計(jì)來(lái)看，一般發(fā)射天線的饋電功率在0～+10 dBm，而接收天線口面的接收信號(hào)電平在-130～-100 dBm。因此，僅依靠由空間隔離與極化隔離提供的隔離度尚不足以使收發(fā)天線間的自干擾降低到后端可處理的信噪比程度。

圖5 基本結(jié)構(gòu)收發(fā)天線間隔離度仿真結(jié)果

通過(guò)增加微波諧振陷波結(jié)構(gòu)，可抑制經(jīng)由表面波耦合到接收天線的自干擾信號(hào)，從而提供更高的信號(hào)隔離度。由仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于增加微波諧振陷波結(jié)構(gòu)的模型，可為系統(tǒng)提供42 dB的窄帶信號(hào)隔離度和35～42 dB的寬帶信號(hào)隔離度。該模型較不含陷波結(jié)構(gòu)的模型，信號(hào)隔離度提升了19 dB(窄帶范圍)和12 dB(寬帶范圍)。由此可知，該微波諧振陷波結(jié)構(gòu)可在窄帶范圍內(nèi)為系統(tǒng)提供客觀的收發(fā)信號(hào)隔離，從而使天線接收到的自干擾信號(hào)電平控制在系統(tǒng)可接受的狀態(tài)。

上述的設(shè)計(jì)與仿真主要針對(duì)由1個(gè)發(fā)射天線和1個(gè)接收天線組成的基本模型，下面在陣列天線范疇內(nèi)考察微波陷波諧振結(jié)構(gòu)的工作能力。基本結(jié)構(gòu)組成的子陣陣列基本模型如圖6所示。為了提高運(yùn)算速率，陣列天線的仿真模型主要采用由4個(gè)發(fā)射天線和5個(gè)接收天線組成的子陣式結(jié)構(gòu)，可基本代表大規(guī)模陣列的基本形態(tài)。

圖6 基本結(jié)構(gòu)組成的子陣陣列基本模型

在陣列結(jié)構(gòu)模型中，評(píng)估收發(fā)天線之間的信號(hào)抑制情況。收發(fā)單元天線之間信號(hào)隔離度的仿真結(jié)果如圖7所示。與基本結(jié)構(gòu)相比，天線間信號(hào)隔離度無(wú)惡化，在窄帶范圍內(nèi)為40 dB，寬帶范圍為35～40 dB。

圖7 子陣中收發(fā)天線隔離度仿真結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)在發(fā)射天線與接收天線之間構(gòu)建諧振陷波結(jié)構(gòu)的手段，綜合分析與仿真驗(yàn)證，可在收發(fā)天線之間達(dá)到42 dB的無(wú)源信號(hào)隔離度。同時(shí)將發(fā)射天線與接收天線作為一個(gè)基本結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了一個(gè)收發(fā)同時(shí)同頻系統(tǒng)的子陣陣列，并在子陣陣列內(nèi)部進(jìn)一步評(píng)估了該諧振陷波結(jié)構(gòu)的隔離效果，從而為同時(shí)同頻全雙工系統(tǒng)的構(gòu)建創(chuàng)造了有利的工作條件。諧振陷波結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)同時(shí)同頻收發(fā)陣列一體的重要支撐，后續(xù)將圍繞同時(shí)同頻收發(fā)陣列的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)的工程實(shí)現(xiàn)性。