CN109600146B - 一种太赫兹频段同频全双工无线通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种太赫兹频段同频全双工无线通信系统，包括两个独立的太赫兹无线通信子系统，每一个太赫兹无线通信子系统都包括太赫兹射频发射单元、太赫兹光栅和太赫兹射频接收单元；利用太赫兹光栅替代传统的现有技术方案中的太赫兹双工器或可控射频开关，使得本发明可以在同一个物理频带内实现信号的收发，对频谱的利用率提高了一倍以上，或者说对频谱的占用减少了一半以上；本发明可以实现信号的同时收发，系统传输容量提高了一倍以上；本发明系统不需要进行设备的收发同步和控制，硬件实现更简单；本发明可以极大降低整体的使用成本。

Description

一种太赫兹频段同频全双工无线通信系统
技术领域
本发明涉及太赫兹无线通信技术，具体是一种太赫兹频段同频全双工无线通信系统。
背景技术
现有太赫兹频段无线通信系统采用的一种典型双工技术为频分双工技术，系统原理如图1所示。太赫兹频段无线通信系统包括系统设备“太赫兹无线通信系统-A”（以下简称“系统A”）和“太赫兹无线通信系统-B”（以下简称“系统B”）。系统A和系统B中的太赫兹射频发射部分、太赫兹射频接收部分功能上完全一样，简单起见图中仅绘出了系统A的太赫兹射频发射部分和太赫兹射频接收部分的功能。
现有太赫兹频段无线通信系统所采用的双工技术为频分双工技术，即系统的发射和接收信号分别处于不同的物理频段。实现频分双工技术的核心器件为太赫兹双工器。太赫兹双工器为一个三端口无源器件，分别为发射端口、接收端口和收发共用端口。太赫兹双工器的基本原理是在收发共用端口和发射端口之间、收发共用端口和接收端口之间分别实现两个不同频段的带通滤波器。这样经过发射端口的信号处于接收端口所处的通带之外，经过接收端口的信号处于发射端口所处的通带之外，实现发射端口和接收端口之间的信号隔离。
例如图1的系统中，系统A的发射频段为一个物理频段（假设为“频段A”）、系统A的接收频段为另一个物理频段（假设为“频段B”）。频段A和频段B为物理上没有重合的电磁波频段（未限定频段A比频段B更高或频段B比频段A更高）。相应的，系统B采用与系统A对称的物理频段，即系统B的发射频段为频段B，接收频段为频段A。因此系统A与系统B在硬件实现上并不是完全一样的。也就是说，如果采用两台与“系统A”同类型的设备，是无法组成一套可用的太赫兹频段无线通信系统的，因为收发频段不一样，两台设备均无法接收到对方发射的电磁波信号。
在实际应用中，假如系统A类型的通信设备安装在某个固定地点或某个可移动平台（可以是地基、海基、空基或天基平台）上（命名为“甲平台”），系统B安装在另一个固定地点或可移动平台上（命名为“乙平台”），甲平台和乙平台之间可以建立一条太赫兹频段的无线通信链路。如果甲平台需要与除乙平台外的第三方平台（命名为“丙平台”）建立无线通信链路，则要求丙平台上安装有系统B类型的通信设备。这样设置后带来的结果就是乙平台与丙平台之间无法建立无线通信链路，除非丙平台上同时安装有系统A类型和系统B类型的通信设备。这样三个平台一共需要安装四台通信设备，才能满足两两之间互相建立无线通信链路的需求。如图2所示，通过甲平台中转，也能实现乙平台和丙平台之间通信链路的建立，但甲平台不是所有时间所有情况下都是可用的，例如甲平台设备关机或损坏。实际应用中不考虑通过甲平台中转的场景和方案。
现有太赫兹频段无线通信系统采用的另一种典型双工技术为时分双工技术，系统原理如图3所示。所不同的是系统采用了一个三端口的可控射频开关代替了双工器。系统通过控制开关发射端口和接收端口的连通性，来切换天线当前处于发射信号状态还是接收信号状态。系统A和系统B之间通过一定的时间同步算法和控制技术来保证当一个设备处于发射状态时，另一个设备处于接收状态。从硬件实现上来看，系统A和系统B是完全一样的。在图2所示的例子中三个平台仅需要安装三台通信设备，即可满足两两之间互相建立无线通信链路的需求。
但是采用时分双工技术的缺点是，在同一时刻，设备要么处于发射状态，要么处于接收状态，通信链路所能传输的信息量仅为采用频分双工技术的系统的一半。采用时分双工技术的通信系统属于“半双工”系统，而采用频分双工技术的通信系统属于“全双工”系统。
发明内容
本发明为克服上述技术缺点，旨在提出一种太赫兹频段同频全双工无线通信系统，可以在同一个物理频带内实现信号的收发，对频谱的利用率提高了一倍以上，或者说对频谱的占用减少了一半以上；本发明可以实现信号的同时收发，系统传输容量提高了一倍以上； 本发明系统不需要进行设备的收发同步和控制，硬件实现更简单；本发明可以极大降低整体的使用成本。
本发明的技术方案如下：
一种太赫兹频段同频全双工无线通信系统，其特征在于：包括两个或多个完全一样的太赫兹无线通信子系统，每一个太赫兹无线通信子系统都包括太赫兹射频发射单元、太赫兹光栅和太赫兹射频接收单元；
所述太赫兹射频发射单元，接收输入基带信号后，对基带信号进行处理后输出给太赫兹光栅；
所述太赫兹光栅，包括有接收端口、发射端口和收发共用端口，所述太赫兹光栅连接太赫兹频段天线；所述发射端口接收太赫兹射频发射单元输出的经过处理后的信号，所述发射端口将经过处理后的信号发送到所述收发共用端口；所述收发共用端口通过太赫兹频段天线接收和发射信号，所述接收端口将收发共用端口接收的信号处理后发出，发出的信号到太赫兹射频接收单元；
所述太赫兹射频发射单元将接收太赫兹光栅的发射端口输出的基带信号经处理后发出。
本发明采用“太赫兹光栅”器件代替了现有技术方案中的太赫兹双工器或可控射频开关。从端口数量上来看，太赫兹光栅与太赫兹双工器、可控射频开关一样，也是一种三端口无源器件。所不同的是，太赫兹双工器和可控射频开关的三个端口均为允许通过的电磁波极化方式完全一样的波导口（电磁波极化方式可能为线极化，也可能为圆极化），而太赫兹光栅的三个波导口允许通过的电磁波极化方式是不完全一样的。太赫兹光栅的发射端口允许通过的电磁波模式为顺时针或逆时针（顺时针和逆时针的定义以视线从波导口向外看出去的方向为准，顺时针定义为＋π/4模式，逆时针定义为－π/4模式）旋转了π/4角度的垂直线极化或水平线极化电磁波，接收端口允许通过的电磁波模式为顺时针或逆时针旋转了π/4角度的垂直线极化或水平线极化电磁波，而收发共用端口允许同时通过模式为＋π/4和－π/4的线极化电磁波。接收端口允许的模式可以与发射端口相同，都为＋π/4或－π/4模式，也可以正交。另外，不管波导口允许的模式是经由垂直线极化还是水平线极化旋转π/4角度而来，由于线极化波是以π周期旋转对称的，最终的效果都是一样的。
也就是，在实际应用中，一种太赫兹光栅的发射端口和接收端口允许通过的电磁波模式均为－π/4模式，收发共用端口则同时支持＋π/4模式和－π/4模式的电磁波通过。发射端口输入的－π/4模式电磁波经过太赫兹光栅器件后，从收发共用端口变为＋π/4模式电磁波并馈入天线并发射。从天线下来的－π/4模式的接收电磁波从收发共用端口输入，经过太赫兹光栅器件后从接收端口仍然以－π/4模式输出。太赫兹光栅器件可以保证从发射端口输入的－π/4模式电磁波不会从接收端口输出，而且从收发共用端口进入的－π/4模式电磁波不会从发射端口输出，从而实现了发射端口和接收端口之间的隔离，系统达到双工工作的目的。
本发明涉及到的两个太赫兹无线通信子系统，均采用相同的太赫兹光栅器件，均发射＋π/4模式的线极化电磁波、接收－π/4模式的线极化电磁波，所采用的天线不改变电磁波的极化方式。其中第一太赫兹无线通信子系统发射的＋π/4模式的线极化电磁波到达第二太赫兹无线通信子系统后，变成了－π/4模式的线极化电磁波，刚好与第二太赫兹无线通信子系统的接收模式相同，从而被第二太赫兹无线通信子系统接收。反之，从第二太赫兹无线通信子系统到第一太赫兹无线通信子系统的电磁波模式与从第一太赫兹无线通信子系统到第二太赫兹无线通信子系统的电磁波模式完全对称。
所述太赫兹射频发射单元按照基带信号输入方向依次设置有第一级上变频模块、第二级上变频模块和太赫兹放大模块，其中第二级上变频模块连接有太赫兹发射本振源。
所述太赫兹射频接收单元按照基带信号输出方向依次设置有太赫兹低噪声放大模块、第二级下变频模块和第一级下变频模块，其中第二级下变频模块连接有太赫兹接收本振源。
本发明具有如下特点：
1.采用太赫兹光栅器件实现系统收发的同频全双工；
2.太赫兹光栅器件采用正交的线极化电磁波模式实现收发之间信号的隔离；
3. 太赫兹光栅器件的发射端口和接收端口可以采用相同的极化模式，也可以采用正交的极化模式，在于太赫兹光栅器件的具体物理实现方式；
4. 太赫兹无线通信系统发射和接收的正交的线极化电磁波信号，与垂直线极化或水平线极化电磁波相比旋转了π/4角度（顺时针或逆时针）。
本发明特别地与频分双工技术相比，具有如下优点：
1. 本发明可以在同一个物理频带内实现信号的收发，对频谱的利用率提高了一倍以上，或者说对频谱的占用减少了一半以上（频分双工系统的收发频段之间需要间隔开一定的频段，作为滤波器设计的过渡带，实际占用的物理带宽比发射或接收所需的带宽大两倍以上）；
2. 通信设备的物理实现方式完全一样，减少了实际应用场景中对通信设备的需求数量，本发明可以极大降低整体的使用成本。
本发明特别地与时分双工技术相比，具有如下优点：
1. 本发明可以实现信号的同时收发，系统传输容量提高了一倍以上（时分双工系统存在系统同步时间和切换时间，在这些时间内是不能进行发射或接收的）；
2. 本发明系统不需要进行设备的收发同步和控制，硬件实现更简单。
附图说明
图1为现有太赫兹频段无线通信系统采用的频分双工技术示意图。
图2为现有太赫兹频段频分双工无线通信系统在实际应用中的示例图。
图3为现有太赫兹频段无线通信系统采用的时分双工技术示意图。
图4为本发明的系统架构示意图。
图5为本发明采用太赫兹光栅器件的示意图。
图6为本发明系统的收发电磁波模式分析示意图。
具体实施方式
如图4所示，一种太赫兹频段同频全双工无线通信系统，包括两个独立的太赫兹无线通信子系统，每一个太赫兹无线通信子系统都包括太赫兹射频发射单元、太赫兹光栅和太赫兹射频接收单元；
所述太赫兹射频发射单元，接收输入基带信号后，对基带信号进行处理后输出给太赫兹光栅；
所述太赫兹光栅，包括有接收端口、发射端口和收发共用端口，所述太赫兹光栅连接太赫兹频段天线；所述发射端口接收太赫兹射频发射单元输出的经过处理后的信号，所述发射端口将经过处理后的信号发送到所述收发共用端口；所述收发共用端口通过太赫兹频段天线接收和发射信号，所述接收端口将收发共用端口接收的信号处理后发出，发出的信号到太赫兹射频接收单元；
所述太赫兹射频发射单元将接收太赫兹光栅的接收端口输出的信号经处理后发出。
所述太赫兹光栅的发射端口允许通过的电磁波模式为顺时针或逆时针旋转了π/4角度的垂直线极化或水平线极化电磁波，接收端口允许通过的电磁波模式为顺时针或逆时针旋转了π/4角度的垂直线极化或水平线极化电磁波，而收发共用端口允许同时通过模式为＋π/4和－π/4的线极化电磁波。
进一步可定义为，所述顺时针和逆时针是以视线从太赫兹光栅的波导口向外看出去的方向为准，顺时针定义为＋π/4模式，逆时针定义为－π/4模式。
也就是，在实际应用中，一种太赫兹光栅的发射端口和接收端口允许通过的电磁波模式均为－π/4模式，收发共用端口则同时支持＋π/4模式和－π/4模式的电磁波通过。发射端口输入的－π/4模式电磁波经过太赫兹光栅器件后，从收发共用端口变为＋π/4模式电磁波并馈入天线并发射。从天线下来的－π/4模式的接收电磁波从收发共用端口输入，经过太赫兹光栅器件后从接收端口仍然以－π/4模式输出。太赫兹光栅器件可以保证从发射端口输入的－π/4模式电磁波不会从接收端口输出，而且从收发共用端口进入的－π/4模式电磁波不会从发射端口输出，从而实现了发射端口和接收端口之间的隔离，系统达到双工工作的目的。
例如，图5为一种太赫兹光栅器件的可能形式。其中发射端口和接收端口允许通过的电磁波模式均为－π/4模式，收发共用端口则同时支持＋π/4模式和－π/4模式的电磁波通过。发射端口输入的－π/4模式电磁波经过太赫兹光栅器件后，从收发共用端口变为＋π/4模式电磁波并馈入天线并发射。从天线下来的－π/4模式的接收电磁波从收发共用端口输入，经过太赫兹光栅器件后从接收端口仍然以－π/4模式输出。太赫兹光栅器件可以保证从发射端口输入的－π/4模式电磁波不会从接收端口输出，而且从收发共用端口进入的－π/4模式电磁波不会从发射端口输出，从而实现了发射端口和接收端口之间的隔离，系统达到双工工作的目的。
以采用图5所示的太赫兹光栅器件的太赫兹频段无线通信系统为例，其收发电磁波的模式分析如图6所示，对于其他形式的太赫兹光栅器件该分析结果也仍然适用。系统A和系统B采用相同的太赫兹光栅器件，均发射＋π/4模式的线极化电磁波、接收－π/4模式的线极化电磁波，所采用的天线不改变电磁波的极化方式。从系统A发射的＋π/4模式的线极化电磁波到达系统B后，变成了－π/4模式的线极化电磁波，刚好与系统B的接收模式相同，从而被系统B接收。而从系统B到系统A的电磁波模式与从系统A到系统B的电磁波模式完全对称。因此，系统采用正交的电磁波模式进行收发，收发之间互不干扰，能够实现全双工方式工作。
因为这种系统采用了正交的线极化电磁波模式实现了收发之间信号的隔离，因此，收发电磁波信号即使处于相同的频带内，也并不影响系统的工作，从而系统可以实现同频全双工工作。而且通信设备所采用的太赫兹光栅器件是完全一样的，因此设备的实现方式也是完全一样的。在图2所示的例子中，三个平台也仅需要安装三台通信设备，即可满足两两之间互相建立无线通信链路的需求。

Claims (5)

1.一种太赫兹频段同频全双工无线通信系统，其特征在于：包括两个或多个完全一样的太赫兹无线通信子系统，每一个太赫兹无线通信子系统都包括太赫兹射频发射单元、太赫兹光栅和太赫兹射频接收单元；
所述太赫兹射频发射单元，接收输入基带信号后，对基带信号进行处理后输出给太赫兹光栅；
所述太赫兹光栅，包括有接收端口、发射端口和收发共用端口，所述太赫兹光栅连接太赫兹频段天线；所述发射端口接收太赫兹射频发射单元输出的经过处理后的信号，所述发射端口将经过处理后的信号发送到所述收发共用端口；所述收发共用端口通过太赫兹频段天线接收和发射信号，所述接收端口将收发共用端口接收的信号处理后发出，发出的信号到太赫兹射频接收单元，所述太赫兹射频接收单元将接收太赫兹光栅的接收端口输出的信号经处理后发出；所述太赫兹光栅的发射端口允许通过的电磁波模式为顺时针或逆时针旋转了π/4角度的垂直线极化或水平线极化电磁波，接收端口允许通过的电磁波模式为顺时针或逆时针旋转了π/4角度的垂直线极化或水平线极化电磁波，而收发共用端口允许同时通过模式为＋π/4和－π/4的线极化电磁波；所述顺时针和逆时针是以视线从太赫兹光栅的波导口向外看出去的方向为准，顺时针定义为＋π/4模式，逆时针定义为－π/4模式。
2.根据权利要求1所述的太赫兹频段同频全双工无线通信系统，其特征在于：所述太赫兹光栅的发射端口和接收端口允许通过的电磁波模式均为－π/4模式，收发共用端口则同时支持＋π/4模式和－π/4模式的电磁波通过；发射端口输入的－π/4模式电磁波经过太赫兹光栅后，从收发共用端口变为＋π/4模式电磁波并馈入太赫兹频段天线并发射出去；从太赫兹频段天线下来的－π/4模式的接收电磁波从收发共用端口输入，经过太赫兹光栅后从接收端口仍然以－π/4模式输出。
3.根据权利要求1所述的太赫兹频段同频全双工无线通信系统，其特征在于：所述两个太赫兹无线通信子系统均采用相同的太赫兹光栅，均发射＋π/4模式的线极化电磁波、接收－π/4模式的线极化电磁波。
4.根据权利要求1所述的太赫兹频段同频全双工无线通信系统，其特征在于：所述太赫兹射频发射单元按照基带信号输入方向依次设置有第一级上变频模块、第二级上变频模块和太赫兹放大模块，其中第二级上变频模块连接有太赫兹发射本振源。
5.根据权利要求1所述的太赫兹频段同频全双工无线通信系统，其特征在于：所述太赫兹射频接收单元按照基带信号输出方向依次设置有太赫兹低噪声放大模块、第二级下变频模块和第一级下变频模块，其中第二级下变频模块连接有太赫兹接收本振源。
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GR01 Patent grant
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