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)場景、服務(wù)質(zhì)量以及相關(guān)技術(shù)的升級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)點間同一頻段同時進(jìn)行無線信號的發(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)信號難以消除的技術(shù)問題。針對帶內(nèi)全雙工系統(tǒng)進(jìn)行SI 抑制是一個復(fù)雜的系統(tǒng)問題,需要結(jié)合天線、射頻以及數(shù)字信號處理等多個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整個系統(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)手段和實現(xiàn)機理。通過對不同方案的匯總比較,分析不同方案的優(yōu)勢和不足,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)用場景主要有定向通信場景和全向無線信號覆蓋。針對不同收發(fā)天線的應(yīng)用場景和天線形式,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)計模式。收發(fā)共用式方案的收發(fā)天線往往共用一個結(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)計方案在設(shè)計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現(xiàn)SI 抑制;混合環(huán)和SI 消除饋電網(wǎng)絡(luò)則通過實現(xiàn)多路自擾信號間的相消疊加來提升自擾抑制水平。收發(fā)分離式場景中自干抑制的相關(guān)研究較多,通過對這類方法進(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在接收天線處的信號強度,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強度。
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)送天線干擾信號的反相位疊加,從而實現(xiàn)接收天線處總SI 信號的抑制。
③增加新的干擾信號傳播路徑。該類方法的主要思想是人為地增加一條新的SI 信號傳播路徑,從而實現(xiàn)在接收天線處兩路SI 信號的疊加,通過適當(dāng)調(diào)整兩路干擾信號的到達(dá)相位,實現(xiàn)兩路SI 信號的相互抵消。
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)中自擾信號的強度。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 信號在傳播過程中的損耗,從而降低接收天線處SI 信號的信號功率,達(dá)到抑制SI 的目的。
二、收發(fā)共用場景下的SI抑制
收發(fā)天線共用場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)天線實現(xiàn)了兩種正交的線極化工作模式。經(jīng)實際加工測試,該方案在3.4G-3.8GHz 頻帶上實現(xiàn)了優(yōu)于43dB 的收發(fā)隔離?;谡粯O化和3dB 環(huán)形混合耦合器,文獻(xiàn)[5] 中設(shè)計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收發(fā)端口之間的SI,方案中在收發(fā)端口之間設(shè)計了一個柵欄-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,實現(xiàn)對發(fā)射天線輻射電流的約束,從而在2.4G-2.52GHz 的帶寬上實現(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)計方案。如圖3 所示, 該方案中采用收發(fā)共用一個矩形貼片的結(jié)構(gòu),在貼片的四個邊分別進(jìn)行差分模式的饋電,從而實現(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)對貼片進(jìn)行饋電。通過以上設(shè)計,該方案實現(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)計了一種由四個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180 度混合耦合器和一個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 信號的混合抵消,上述方案實現(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踐,研究者們在收發(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,實現(xiàn)了高于37dB 收發(fā)自擾抑制。
文獻(xiàn)[20-21] 則針對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)和近場去耦結(jié)構(gòu)SI 抑制方案。該方案中,收發(fā)天線采用兩個間距僅為0.01 倍波長的微帶天線。為了降低兩個收發(fā)天線的SI,該方案中在兩個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,該方案收發(fā)天線能夠在300MHz 帶寬上實現(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,兩個接收天線為同極化反向工作模式。發(fā)送天線放置在兩個接收天線之間,采用與接收天線正交的極化方式。在SI 消除方面,兩個接收天線采用3 端口環(huán)形耦合器進(jìn)行饋電,從而實現(xiàn)兩路反相SI 的抵消。實際測試結(jié)構(gòu)表明,該方案能夠在150MHz 帶寬上實現(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,左右兩個為接收單元,上下兩個為發(fā)送單元,接收和發(fā)送單元通過采用平衡饋電方式實現(xiàn)右旋圓極化工作模式。通過近場抵消方式,實現(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 抑制水平等五個方面進(jìn)行比較。
表1 中給出了收發(fā)共用場景下不同自擾抑制方案對比。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)合后實現(xiàn)了優(yōu)于80dB 自擾抑制。
表2 中對收發(fā)分離場景下不同自擾抑制方案進(jìn)行對比。從表中可以看出,收發(fā)分離場景下,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)天線配置對所采用的自擾抑制手段有較大限制,有效地實現(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,相對于單一手段,多種自擾抑制手段結(jié)合能夠更加有效地實現(xiàn)自擾抑制。
從收發(fā)共用和收發(fā)分離配置模式的對比來看,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,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,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)用價值。目前在該方面的研究相對較少,相關(guān)可行的方案的提出將會是一個新的突破。
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現(xiàn)SI 抑制。
五、結(jié)束語
本文主要對當(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)共用場景和收發(fā)分離場景兩大類進(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)行實際場景驗證等問題。在后續(xù)的研究中,可以根據(jù)不同的應(yīng)用場景,在目前研究的基礎(chǔ)上針對以上問題進(jìn)行研究。
作者單位:孫國營 杭州??低暱萍加邢薰?/p>
劉偉榮 濟(jì)寧學(xué)院數(shù)學(xué)與計算機應(yīng)用技術(shù)學(xué)院