CN103392263A - 一种天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信领域，特别涉及一种天线系统，其包括：一个发射天线、一个接收天线，位于所述发射天线和所述接收天线上方的天线罩，以及位于所述天线罩内的反射体，所述发射天线的发射信号经所述反射体反射后被所述接收天线接收到的信号与所述发射天线的发射信号直接被所述接收天线接收到而产生的同频干扰信号互相抵消。由此，本发明实施例可在不额外增加天线数量以及增大天线距离的情形下，实现发射天线对接收天线的同频干扰信号的消除。

Description

一种天线系统

技术领域

本发明涉及通信领域，特别涉及一种天线系统。

背景技术

微波通信设备通常采用不同的频率同时发送和接收信号，这种频谱利用方式造成了频谱资源的浪费。由此产生的全双工通信技术，即在同一段频谱上进行数据发送的同时，也进行数据接收的频谱利用方式，能极大地提升频谱的利用效率。

全双工通信中的一个关键问题是，由于设备发射和接收同频，设备的发射天线会对本端接收天线产生同频干扰，而且同频干扰不能使用滤波器抑制。因此，提升设备收发天线之间的隔离度是实现全双工通信需要解决的一个关键问题。

目前有以下两种现有技术解决全双工通信技术下的设备收发天线之间的同频干扰问题。

图1和图2为现有技术中采用三天线的技术方案。如图1所示，该技术方案使用两个发射天线TX1和TX2以及一个接收天线RX。两发射天线与接收天线的距离之差为λ/2，其中λ为载波的波长。发射天线TX1和TX2发射的信号被接收天线RX接收到，从而产生同频干扰。

在方案中，发射信号被功率分配器分成两路相同的信号分别馈入发射天线TX1和TX2中，由于距离接收天线的位置相差λ/2，则到达接收天线处的两路发射信号的相位也相差180°，从而两路干扰能相互抵消。

该技术方案中，其中一个发射天线的作用是用来产生抵消信号，从而将另一个发射天线对接收天线的干扰抵消掉。

在该技术方案的基础上，将两个发射天线用接收天线替换，同时将接收天线用发射天线替换，功率分配器此时的功能为功率合路，得到的“两收一发”(两个接收天线和一个发射天线)天线系统原理与文献技术方案相同，如图2所示。

图1和图2所示方案使用辅助天线产生干扰抵消信号，增加了天线数量。

另一种现有技术方案是通过增大收发天线间的距离。天线距离的增大能够增大干扰的自由空间损耗，从而增大收发天线间隔离度。但是，天线距离的增大会使得整个天线系统的尺寸变大。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种天线系统，可简化天线系统的天线个数及天线之间的举例。

本发明第一方面提供一种天线系统，其可包括：一个发射天线、一个接收天线，位于所述发射天线和所述接收天线上方的天线罩，以及位于所述天线罩内的反射体，所述发射天线的发射信号经所述反射体反射后被所述接收天线接收到的信号与所述发射天线的发射信号直接被所述接收天线接收到而产生的同频干扰信号互相抵消。

结合第一方面，在第一种可能的实现方式中，所述发射天线的发射信号经所述反射体反射后被所述接收天线接收到的信号与所述发射天线的发射信号直接被所述接收天线接收到而产生的同频干扰信号互相抵消具体为：所述发射天线的发射信号经所述反射体反射后被所述接收天线接收到的信号的幅度与所述发射天线的发射信号直接被所述接收天线接收到而产生的同频干扰信号的幅度相等，相位相差(2n+1)π，n＝0，±1，±2，...。

结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述发射天线到所述反射体的入射点的距离为l₁，所述接收天线到所述反射体的入射点的距离为l₂，所述发射天线到所述接收天线的距离为D，所述反射体的反射系数为Γ，则所述发射天线的发射信号经所述反射体反射后被所述接收天线接收到的信号的相位与所述发射天线的发射信号直接被所述接收天线接收到而产生的同频干扰信号的相位差为

则：

其中，λ为载波波长，

为反射系数Γ的相位。

结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述反射体的反射系数为Γ，为所述发射天线到所述反射体的入射载波角度；

为所述接收天线用于接收所述反射体所反射信号的载波角度；

为所述发射天线对所述接收天线产生的同频干扰信号的载波角度；

为所述接收天线用于接收所述发射天线产生的同频干扰信号的载波角度，则所述发射天线的发射信号经所述反射体反射后被所述接收天线接收到的信号的幅度为 $G^T({\mathrm{\θ}}_1^T,{\mathrm{\φ}}_1^T,f)\·\mathrm{PL}(f,l_1)\·\left|\mathrm{\Γ}\right|\·\mathrm{PL}(f,l_2)\·G^R({\mathrm{\θ}}_1^R,{\mathrm{\φ}}_1^R,f),$ 所述发射天线的发射信号直接被所述接收天线接收到而产生的同频干扰信号的幅度为 $G^T({\mathrm{\θ}}_2^T,{\mathrm{\φ}}_2^T,f)\·\mathrm{PL}(f,D)\·G^R({\mathrm{\θ}}_2^R,{\mathrm{\φ}}_2^R,f),$ $G^T({\mathrm{\θ}}_1^T,{\mathrm{\φ}}_1^T,f)\·\mathrm{PL}(f,l_1)\·\left|\mathrm{\Γ}\right|\·\mathrm{PL}(f,l_2)\·G^R({\mathrm{\θ}}_1^R,{\mathrm{\φ}}_1^R,f)=$ $G^T({\mathrm{\θ}}_2^T,{\mathrm{\φ}}_2^T,f)\·\mathrm{PL}(f,D)\·G^R({\mathrm{\θ}}_2^R,{\mathrm{\φ}}_2^R,f)$

其中，f为载波频率，|Γ|为反射系数Γ的幅度，为所述发射天线到所述反射体发射载波的增益，

为所述接收天线用于接收反射体的反射载波的载波增益，

为所述发射天线的发射信号直接被所述接收天线接收到而产生的同频干扰信号的发射载波增益，为所述接收天线用于接收所述发射天线产生的同频干扰信号的载波增益，PL(f，l₁)和PL(f，l₂)分别为所述发射天线到所述反射体的路径损耗以及所述反射体到所述接收天线的路径损耗，PL(f，D)为所述发射天线到所述接收天线的路径损耗。

结合第一方面至第一方面的第三种可能的实现方式中任一种，在第四种可能的实现方式中，所述反射体为单介电常数的介质。

结合第一方面至第一方面的第三种可能的实现方式中任一种，在第五种可能的实现方式中，所述反射体为导体。

结合第一方面至第一方面的第三种可能的实现方式中任一种，在第六种可能的实现方式中，所述反射体由不同介电常数的介质层叠而成。

结合第一方面至第一方面的第三种可能的实现方式中任一种，在第七种可能的实现方式中，所述反射体包括多个不同介电常数的介质，所述多个介质在XYZ三维坐标中的Y轴方向离散排布。

结合第一方面至第一方面的第三种可能的实现方式中任一种，在第八种可能的实现方式中，所述反射体完全嵌入到所述天线罩中；

或，所述反射体部分嵌入到所述天线罩中；

或，所述反射体固定在所述天线罩的内表面。

由上可见，在本发明的一些可行的实施方式中，天线系统包括：一个发射天线、一个接收天线，位于所述发射天线和所述接收天线上方的天线罩，以及位于所述天线罩内的反射体，所述发射天线的发射信号经所述反射体反射后被所述接收天线接收到的信号与所述发射天线的发射信号直接被所述接收天线接收到而产生的同频干扰信号互相抵消。由此，本发明实施例可在不额外增加天线数量以及增大天线距离的情形下，实现发射天线对接收天线的同频干扰信号的消除。

附图说明

图1为现有技术天线系统一实施例的结构组成示意图；

图2为现有技术天线系统另一实施例的结构组成示意图；

图3为本发明天线系统一实施例的结构组成示意图；

图4为本发明天线系统的反射原理示意图；

图5为本发明反射体一实施例的分布示意图；

图6为本发明反射体另一实施例的分布示意图；

图7为本发明天线系统另一实施例的结构组成示意图；

图8为本发明反射体与天线罩的一实施例的位置关系示意图。

具体实施例

下面通过具体的实施例对本发明进行详细说明。

图3为本发明天线系统一实施例的结构组成示意图。如图3所示，本发明实施例的天线系统可包括：一个发射天线10，一个接收天线20，位于所述发射天线10和所述接收天线20上方的天线罩30，以及位于所述天线罩30内的反射体40，具体的，所述发射天线10的发射信号经所述反射体40反射后被所述接收天线20接收到的信号与所述发射天线10的发射信号直接被所述接收天线20接收到而产生的同频干扰信号(即发射天线10对接收天线20的同频干扰信号)互相抵消。

在一些可行的实施方式中，所述发射天线10的发射信号经所述反射体40反射后被所述接收天线20接收到的信号与所述发射天线10的发射信号直接被所述接收天线20接收到而产生的同频干扰信号互相抵消具体为：所述发射天线10的发射信号经所述反射体40反射后被所述接收天线20接收到的信号的幅度与所述发射天线10的发射信号直接被所述接收天线20接收到而产生的同频干扰信号的幅度相等，相位相差(2n+1)π，n＝0，±1，±2，...。

在一些可行的实施方式中，所述天线罩的形状为任意可行的形状，比如，平面、抛物面、球面等。

进一步，图4为本发明的天线系统的信号传输原理示意图。如图4所示，发射天线10的发射信号载波的反射和透射共在4层介质区域中进行。从下往上依次为：空气层(介电常数为ε₀)、反射体层(介电常数为ε₂)、天线罩材料层(介电常数为ε₁)和空气层(介电常数为ε₀)。错误！未找到引用源。中以天线的主瓣方向与反射体的分界面法线方向平行为例。发射信号在反射体上的投射点在发射天线10和接收天线20之间连线的中垂线与反射体40的分界面的交点处。设发射天线10和接收天线20的增益分别为G^T(θ，φ，f)和G^R(θ，φ，f)，它们是天线工作频率f和球坐标θ(为载波与球坐标中Z轴的夹角)和φ(为载波被映射到球坐标中的X、Y轴所在平面时，与X轴形成的夹角)的函数。具体实现中，天线的增益可以通过测量得到。以天线主瓣朝向为θ＝0°为例，从错误！未找到引用源。中可以看到，能够使发射天线10的载波投射到反射体40上的θ和φ的取值为：

$\mathrm{\θ}\∈(0,\frac{\mathrm{\π}}{2});$ φ∈(0，π)

设电磁波在介质表面的反射系数为Γ，且令

其中，|Γ|为反射系数Γ的幅度，

为反射系数Γ的相位。则发射天线10的发射信号经反射体40反射后被接收天线20接收到的信号相位变化为：

其中，f为载波频率；c为光速；l₁、l₂分别为发射天线10和接收天线20到反射体40的入射点的距离，当入射点在发射天线10和接收天线20连线的中垂线上时，有l₁＝l₂＝l。

接收天线20接收到的同频干扰信号相对于发射天线10处，相位的变化量为：

其中D为发射天线10与接收天线20之间的距离。

为了满足发射天线10对接收天线20的同频干扰信号的相位能被抵消，则所述发射天线10经所述反射体40反射到所述接收天线20所形成的信号的相位变化量

和所述发射天线10对所述接收天线20产生的同频干扰信号的相位变化量

之间的关系满足：

其中，λ为载波波长。

进一步，设

为所述发射天线10到所述反射体40的发射载波角度(结合图4，假设发射天线10到反射体40的发射载波l₁的方向入射到反射体40，则

和

即可分别为图4中的θ和φ，其中θ为l₁与Z轴的夹角，φ为l₁映射到X、Y轴所在平面时与X轴之间的夹角，即φ具体为图4中X、Y轴之间的虚线与X轴之间的夹角)；

为所述接收天线20用于接收反射体40反射信号的接收载波角度；

为所述发射天线对所述接收天线产生的同频干扰信号的载波角度；

为所述接收天线20用于接收发射天线10的同频干扰信号的接收载波角度。

则为了满足发射天线10对接收天线20的同频干扰信号的幅度能被抵消，所述发射天线的发射信号经所述反射体反射后被所述接收天线接收到的信号的幅度与所述发射天线的发射信号直接被所述接收天线接收到而产生的同频干扰信号的幅度需相等，其具体满足：

$P_{\mathrm{TX}}\·G^T({\mathrm{\θ}}_1^T,{\mathrm{\φ}}_1^T,f)\·\mathrm{PL}(f,l_1)\·\left|\mathrm{\Γ}\right|\·\mathrm{PL}(f,l_2)\·G^R({\mathrm{\θ}}_1^R,{\mathrm{\φ}}_1^R,f)=---\left(4\right)$

(4)

$P_{\mathrm{TX}}\·G^T({\mathrm{\θ}}_2^T,{\mathrm{\φ}}_2^T,f)\·\mathrm{PL}(f,D)\·G^R({\mathrm{\θ}}_2^R,{\mathrm{\φ}}_2^R,f)$

其中，P_TX为发射天线10的功率；f为载波频率，|Γ|为反射系数Γ的幅度，

为所述发射天线10到所述反射体40的发射载波的增益，

为所述接收天线20用于接收反射体40反射载波的增益，

为所述发射天线10对所述接收天线20产生的同频干扰信号方向上的增益，

为所述接收天线20用于接收同频干扰的增益，PL(f，l₁)和PL(f，l₂)分别为所述发射天线10到所述反射体40的路径损耗和所述反射体40到所述接收天线20的路径损耗，PL(f，D)为所述发射天线10到所述接收天线20的干扰路径损耗。

对式错误！未找到引用源。进行整理得到：

$G^T({\mathrm{\θ}}_1^T,{\mathrm{\φ}}_1^T,f)\·\mathrm{PL}(f,l_1)\·\left|\mathrm{\Γ}\right|\·\mathrm{PL}(f,l_2)\·G^R({\mathrm{\θ}}_1^R,{\mathrm{\φ}}_1^R,f)=$

$G^T({\mathrm{\θ}}_2^T,{\mathrm{\φ}}_2^T,f)\·\mathrm{PL}(f,D)\·G^R({\mathrm{\θ}}_2^R,{\mathrm{\φ}}_2^R,f)---\left(5\right)$

由式(3)可知，具体实现中，本发明实施例通过调整反射体40、发射天线10和接收天线20三者之间的位置关系(即调整l₁、l₂和D)，即可实现同频干扰信号相位的抵消。

由式(5)可知，具体实现中，在反射体40、发射天线10和接收天线20三者之间的位置关系确定的情形下(即式(5)中除|Γ|之外的值均已确定)，本发明实施例通过选择具有合适反射系数Γ的反射体40(即选择合适的|Γ|)，即可实现同频干扰信号的幅度的抵消。具体实现中，反射系数的计算方法为已有技术，在本发明中不做详细描述。

在一些可行的实施方式中，所述反射体为单介电常数的介质。此时，所述发射天线10到所述反射体40的入射点的距离则为发射天线到该单介电常数介质的入射点的距离。以及，所述接收天线20到所述反射体40的距离则为接收天线到该单介电常数介质的入射点的距离。

在一些可行的实施方式中，所述反射体为导体。此时，所述发射天线10到所述反射体40的入射点的距离则为发射天线到该导体的入射点的距离。以及，所述接收天线20到所述反射体40的距离则为接收天线到该导体的入射点的距离。

在一些可行的实施方式中，为了获得满足式(3)和式(5)要求的Γ值，所述反射体40可由不同介电常数的介质层叠而成，如图5所示。

在一些可行的实施方式中，为满足式(3)相位关系和式(5)的幅度关系，可使用离散排布的多个介质构成所述反射体40，如图6所示的直角坐标系中，可选择离散方向为Y轴，即所述反射体40包括多个介质，所述多个介质在XYZ三维坐标中的Y轴方向离散排布。所述反射体40的多个介质的介电常数可以相同，也可以不同；所述的多个介质中每个介质可以是单层介质、可以是导体也可以是多层介质层叠而成；所述的多个介质中，每个介质可以完全嵌入到所述天线罩中，或者部分嵌入到所述天线罩中，或者固定在所述天线罩的内表面。

在一些可行的实施方式中，所述反射体40上除了严格满足式(3)和式(5)的入射点之外，如图6所示，还存在一些入射点(比如，在X轴上的入射点)，所述发射天线10发射的载波在所述发射体40上的这些入射点反射后被所述接收天线20接收时产生的相位变化量

和所述发射天线10对所述接收天线20干扰的相位变化量

之差接近(2n+1)π，n＝0，±1，±2，...，这对于干扰抵消也是有帮助的。所以所述反射体40在X方向上还包括一部分介质，所述发射天线10发射的载波入射到所述反射体40的这些介质上反射后被所述接收天线20接收时产生的相位变化量

和所述发射天线10对所述接收天线20干扰的相位变化量

之差满足 $(2n+1)\mathrm{\π}\±\frac{\mathrm{\π}}{6},n=0,\±1,\±2,....$

在一些可行的实施方式中，本发明实施例中的反射体介电常数可小于或大于天线罩的介电常数。

在一些可行的实施方式中，本发明实施例中的反射体还可以是多个在空间上离散分布的反射体。适当调整反射体的放置位置，所述发射天线发射的载波入射到这些所述反射体上并经过多次反射后被所述接收天线接收时产生的相位变化量和所述发射天线对所述接收天线干扰的相位变化量之差仍然可满足(2n+1)π，n＝0，±1，±2，...。以及，所述发射天线的发射信号经所述反射体反射后被所述接收天线接收到的信号的幅度与所述发射天线的发射信号直接被所述接收天线接收到而产生的同频干扰信号的幅度仍可相等。比如，图7示出了经过三个反射体(分别为介电常数为ε₂的反射体41、介电常数为ε₃的反射体42、介电常数为ε₄的反射体43、)的反射以消除同频干扰信号的实施例。具体实现中，当采用多个反射体在空间上离散分布的方式来消除同频干扰信号时，所选中的反射体的介电常数可相同或者不同。

在一些可行的实施方式中，如图8所示，所述反射体可完全嵌入到所述天线罩中(图8中的(a))；或，所述反射体部分嵌入到所述天线罩中(图8中的(b))；或，所述反射体固定在所述天线罩的内表面(图8中的(c))。图8中的反射体40也可替换为反射体41、反射体42以及反射体43中任一种。

在一些可行的实施方式中，本发明的发射天线和接收天线可为定向天线和全向天线。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种天线系统，其特征在于，包括：一个发射天线、一个接收天线，位于所述发射天线和所述接收天线上方的天线罩，以及位于所述天线罩内的反射体，所述发射天线的发射信号经所述反射体反射后被所述接收天线接收到的信号与所述发射天线的发射信号直接被所述接收天线接收到而产生的同频干扰信号互相抵消。

2.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述发射天线的发射信号经所述反射体反射后被所述接收天线接收到的信号与所述发射天线的发射信号直接被所述接收天线接收到而产生的同频干扰信号互相抵消具体为：所述发射天线的发射信号经所述反射体反射后被所述接收天线接收到的信号的幅度与所述发射天线的发射信号直接被所述接收天线接收到而产生的同频干扰信号的幅度相等，相位相差(2n+1)π，n＝0，±1，±2，...。

3.如权利要求2所述的天线系统，其特征在于，所述发射天线到所述反射体的入射点的距离为l₁，所述接收天线到所述反射体的入射点的距离为l₂，所述发射天线到所述接收天线的距离为D，所述反射体的反射系数为Γ，则所述发射天线的发射信号经所述反射体反射后被所述接收天线接收到的信号的相位与所述发射天线的发射信号直接被所述接收天线接收到而产生的同频干扰信号的相位差为则：

n＝0，1，2，...，

其中，λ为载波波长，

为反射系数Γ的相位。

4.如权利要求2所述的天线系统，其特征在于，所述反射体的反射系数为Γ，为所述发射天线到所述反射体的入射载波角度；

为所述接收天线用于接收所述反射体所反射信号的载波角度；为所述发射天线对所述接收天线产生的同频干扰信号的载波角度；

为所述接收天线用于接收所述发射天线产生的同频干扰信号的载波角度，则所述发射天线的发射信号经所述反射体反射后被所述接收天线接收到的信号的幅度为 $G^T({\mathrm{\θ}}_1^T,{\mathrm{\φ}}_1^T,f)\·\mathrm{PL}(f,l_1)\·\left|\mathrm{\Γ}\right|\·\mathrm{PL}(f,l_2)\·G^R({\mathrm{\θ}}_1^R,{\mathrm{\φ}}_1^R,f),$ 所述发射天线的发射信号直接被所述接收天线接收到而产生的同频干扰信号的幅度为 $G^T({\mathrm{\θ}}_2^T,{\mathrm{\φ}}_2^T,f)\·\mathrm{PL}(f,D)\·G^R({\mathrm{\θ}}_2^R,{\mathrm{\φ}}_2^R,f),$ $G^T({\mathrm{\θ}}_1^T,{\mathrm{\φ}}_1^T,f)\·\mathrm{PL}(f,l_1)\·\left|\mathrm{\Γ}\right|\·\mathrm{PL}(f,l_2)\·G^R({\mathrm{\θ}}_1^R,{\mathrm{\φ}}_1^R,f)=$ $G^T({\mathrm{\θ}}_2^T,{\mathrm{\φ}}_2^T,f)\·\mathrm{PL}(f,D)\·G^R({\mathrm{\θ}}_2^R,{\mathrm{\φ}}_2^R,f)$

其中，f为载波频率，|Γ|为反射系数Γ的幅度，为所述发射天线到所述反射体发射载波的增益，

为所述接收天线用于接收反射体的反射载波的载波增益，为所述发射天线的发射信号直接被所述接收天线接收到而产生的同频干扰信号的发射载波增益，

为所述接收天线用于接收所述发射天线产生的同频干扰信号的载波增益，PL(f，l₁)和PL(f，l₂)分别为所述发射天线到所述反射体的路径损耗以及所述反射体到所述接收天线的路径损耗，PL(f，D)为所述发射天线到所述接收天线的路径损耗。

5.如权利要求1-4中任一项所述的天线系统，其特征在于，所述反射体为单介电常数的介质。

6.如权利要求1-4中任一项所述的天线系统，其特征在于，所述反射体为导体。

7.如权利要求1-4中任一项所述的天线系统，其特征在于，所述反射体由不同介电常数的介质层叠而成。

8.如权利要求1-4中任一项所述的天线系统，其特征在于，所述反射体包括多个不同介电常数的介质，所述多个介质在XYZ三维坐标中的Y轴方向离散排布。

9.如权利要求1-4中任一项所述的天线系统，其特征在于，

所述反射体完全嵌入到所述天线罩中；

或，所述反射体部分嵌入到所述天线罩中；

或，所述反射体固定在所述天线罩的内表面。

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