同时同频全双工天线阵列自干扰抑制设计

郑晓冬，申建华，李 敏，姚志会

(1.卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，河北 石家庄 050081；2.中国人民解放军32021部队，北京 100094)

0 引言

同时同频全双工是指一套通信设备或装置，在相同的时间和频率资源上，同时发射并接收电磁信号，其在理论上能够倍增现有频谱效率与系统容量。然而发射机发射的信号会泄露到接收机，对接收机形成强自干扰。自干扰会导致接收机性能的急剧恶化。因此，实现同时同频全双工的关键是如何有效地抑制自干扰。

目前，自干扰抑制技术可以分为3类：空域自干扰抑制技术[1-2]、射频域自干扰抑制技术[3-4]和数字域自干扰抑制技术[5-7]。空域自干扰抑制技术是在天线间构建陷波结构，从而最大限度地抑制发射天线泄露至接收天线的自干扰信号能量[8-11]。射频域自干扰抑制技术利用已知的发射信号来构造一路信号，在模拟接收端与自干扰信号完成对消[12-14]。数字域自干扰抑制技术利用本地已知的数字基带信号来构造一路信号，在数字信号处理过程中滤除自干扰信号[15]。

空域自干扰抑制技术是在源头上限制自干扰信号的方法，是减少自干扰信号对接收支路影响的最可靠方法。国内外对于空域自干扰信号的滤除方法已经有不少研究与应用。通过对被动自干扰抑制的定向隔离、吸收屏蔽和交叉极化3个关键机制进行研究，由实验结果可知这些被动抑制机制可以有效抑制天线间的自干扰，然而对高反射环境对自干扰抑制造成的影响并无效果[16]。通过紧凑型MIMO全双工中继的数字自干扰消除算法，在陷波陷阱的基础上可提供60～70 dB的无源隔离，但该天线的应用场景单一，发射天线与接收天线的摆放位置必须是背靠背的关系[17]。

本文主要研究在常规应用系统中的同时同频全双工微波天线设计。发射天线与接收天线处于同一水平面内，符合现代微波相控阵天线阵列的应用需求。通过合理设计陷波结构，在C波段可实现42 dB的无源信号隔离，为同时同频全双工系统的构建创造了有利的工作条件。

1 天线模型

在阵列系统中，微带天线是一种常用的天线单元结构。采用正交馈电技术，微带天线能够很容易实现圆极化，并实现较好的轴比特性。但是，在微带阵列系统中，由于天线单元之间共地，表面波的存在会使天线单元之间存在一定程度的互扰，天线之间的隔离度会比较差，一般需要对天线单元进行波消除接收设计。

消除结构是一种电磁波谐振结构，能够有效控制地板上的表面电流。根据传输线理论，短路1/4波长传输线的输入阻抗会非常高，这就导致在传输线末端的输入电流会非常小，有大量的电流限制在传输线内部。通过在微带天线的底板上加载1/4波长贴片枝节能够有效提高单元之间的隔离度，减少天线单元之间的自干扰。

基于谐振陷波结构的发射/接收微带天线基本结构如图1所示。发射/接收微带天线基本结构包含一个发射天线，如图1(a)中第I部分，一个接收天线，如图1(a)中第II部分。2个天线并排放置，构成一个基本单元，是组成阵列天线的一个基本结构。首先分析一个基础结构内2个天线之间的信号隔离度，然后在阵列天线的范畴内分析其整体效果。微带天线采用的介质板材为Rogers TMM 10(tm)，其介电常数为9.2，天线工作频率设计为C波段3 750～3 950 MHz。

图1 C波段全双工天线基本结构

图1(a)中，发射天线配置为左旋圆极化，接收天线配置为右旋圆极化。天线整体高度L1为30 mm，天线口径L4为12.5 mm。在发射天线四周设计有4组谐振结构，每个谐振结构由分布在上表面的1/4波长贴片和侧表面的1/4波长贴片构成，贴片长度L2为29 mm，贴片高度H2为2 mm。发射/接收微带天线基本结构侧视图如图1(b)所示，天线整体高度H1为2.5 mm，天线表面铜皮厚度H3为4 μm。侧表面的贴片与地板相连，基础结构天线的立体效果图如图2所示。

图2 C波段全双工天线基本结构立体图

2 天线仿真结果

应用图1所示的全双工天线基本结构，在HFSS软件中进行建模仿真，并与不含谐振陷波结构的模型进行比较。收发天线间的隔离度定义为接收天线端口接收到的能量与发射天线辐射出的总能量之差。图3为2种基本结构收发天线在相同馈电功率激励下，天线表面电流分布的仿真结果。对比2种结构下的天线表面电流分布情况，对于不包含谐振结构的天线，其表面电流分布在收发天线交界处是缓变的电流分布，耦合至接收天线处的功率较多；对于包含谐振结构的天线，由于谐振结构的作用，在收发天线交界处的电流分布出现阶梯下降，表面波的传输路径被切断，因此耦合至接收天线处的电流被减弱。

图3 天线表面电流分布仿真结果

图3虚线处为天线横截面，横截面处的表面电流数值提取如图4所示。其中，虚线为不包含陷波结构的电流数值，实线为包含陷波结构的电流数值。从图4中可以发现，在陷波结构的作用下，表面电流明显下降，天线间耦合作用减弱。在天线交界面处(图4中30 mm位置)，不包含陷波结构的电流曲线斜率为0.5 mA/mm；包含陷波结构的电流曲线斜率为1.2 mA/mm，说明陷波结构的作用是非常明显的。

图4 横截面处电流分布

耦合到接收天线处的电磁波能量可通过收发天线间隔离度仿真结果分析和比较，2种结构的仿真结果如图5所示，其中，虚线为不含谐振陷波结构模型的收发天线隔离度，实线为包含谐振陷波结构的收发天线隔离度。由图5可知，对于不含谐振陷波结构的模型，接收天线与发射天线间的隔离度主要受空间隔离和极化隔离的作用，约可提供23 dB的隔离度。从目前的阵列天线工程设计来看，一般发射天线的馈电功率在0～+10 dBm，而接收天线口面的接收信号电平在-130～-100 dBm。因此，仅依靠由空间隔离与极化隔离提供的隔离度尚不足以使收发天线间的自干扰降低到后端可处理的信噪比程度。

图5 基本结构收发天线间隔离度仿真结果

通过增加微波谐振陷波结构，可抑制经由表面波耦合到接收天线的自干扰信号，从而提供更高的信号隔离度。由仿真结果可以发现，对于增加微波谐振陷波结构的模型，可为系统提供42 dB的窄带信号隔离度和35～42 dB的宽带信号隔离度。该模型较不含陷波结构的模型，信号隔离度提升了19 dB(窄带范围)和12 dB(宽带范围)。由此可知，该微波谐振陷波结构可在窄带范围内为系统提供客观的收发信号隔离，从而使天线接收到的自干扰信号电平控制在系统可接受的状态。

上述的设计与仿真主要针对由1个发射天线和1个接收天线组成的基本模型，下面在阵列天线范畴内考察微波陷波谐振结构的工作能力。基本结构组成的子阵阵列基本模型如图6所示。为了提高运算速率，阵列天线的仿真模型主要采用由4个发射天线和5个接收天线组成的子阵式结构，可基本代表大规模阵列的基本形态。

图6 基本结构组成的子阵阵列基本模型

在阵列结构模型中，评估收发天线之间的信号抑制情况。收发单元天线之间信号隔离度的仿真结果如图7所示。与基本结构相比，天线间信号隔离度无恶化，在窄带范围内为40 dB，宽带范围为35～40 dB。

图7 子阵中收发天线隔离度仿真结果

3 结束语

通过在发射天线与接收天线之间构建谐振陷波结构的手段，综合分析与仿真验证，可在收发天线之间达到42 dB的无源信号隔离度。同时将发射天线与接收天线作为一个基本结构，构建了一个收发同时同频系统的子阵阵列，并在子阵阵列内部进一步评估了该谐振陷波结构的隔离效果，从而为同时同频全双工系统的构建创造了有利的工作条件。谐振陷波结构是实现同时同频收发阵列一体的重要支撑，后续将围绕同时同频收发阵列的设计实现进一步验证该结构的工程实现性。