CN110166078A - 基于分形微带耦合器组的同时同频全双工单天线中继系统 - Google Patents
基于分形微带耦合器组的同时同频全双工单天线中继系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于无线电传输技术领域，公开了一种基于分形微带耦合器组的同时同频全双工单天线中继系统，单端口天线由射频线缆连接至分形微带耦合器组的天线端端口；分形微带耦合器组包括三个50欧姆端口：天线端、发送端和接收端；模拟域自干扰消除模块，利用功分器拷贝一份发射信号，经过调相器、调幅器重构反向自干扰信号后由合成器汇合到接收信号上消除自干扰；数控放大器模块，用于通过数字信号实时调整中继放大器的放大系数；同时可以结合同时同频全双工双向中继协作通信，计算基于最大信干噪比的放大因子并调整放大因子。本发明的中继系统不仅可以扩宽通信范围，大幅提升系统容量，而且工作在全双工模式下，大大节约了频谱资源，提升了频谱效率。
Description
技术领域
本发明属于无线电传输技术领域，尤其涉及一种基于分形微带耦合器组的同时同频全双工单天线中继系统。
背景技术
目前，最接近的现有技术：在无线通信领域，随着信息技术的快速发展，通信与数据传输业务迅猛增长，使得电磁波通信频谱资源日趋拥挤。在此背景下，全双工通信技术得到了广泛的应用并成为了无线通信领域的关键技术之一。相比半双工中继系统，全双工中继通信系统各节点可以同时同频对信号进行收发，可以倍增频谱效率且大幅提升系统容量，从而缓解频谱资源紧张的现状。然而由于全双工通信自身的特性，其自干扰信号是影响系统性能的核心因素，自干扰消除也就成为了同时同频全双工通信领域的核心问题。全双工自干扰消除一般可以分为天线域自干扰消除、模拟域自干扰消除和数字域自干扰消除。下面开始阐述现有技术和其不足之处：现有技术一利用分离式方向性天线进行收发隔离以降低自干扰信号对接收信号的影响，收发天线之间距离比较长，整体系统占地面积大，移动性较差。现有技术二尝试利用微带耦合器和铁氧体环形器构建双极化单天线全双工系统，但是在分析自干扰传播路径的过程中忽略了双极化天线收发端口的自干扰信号泄露，实际能达到的自干扰消除能力欠佳。现有技术三中，Cheung S K,Weedon W H,Caldwell C P等人在会议IEEE MTT-S International Microwave Symposium于2017年发表的Highisolation lange-ferrite circulators withNF suppression for simultaneoustransmit and receive学术论文中提出了一种基于铁氧体环形器和耦合器的、适用于单端口天线的微带线-铁氧体环形器全双工单天线通信系统，但是由于应用了铁氧体环形器，增加了电路设计的体积，不利于集成化设计。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)分离式天线中继系统占地体积大，集成化程度低，移动性较差；全向性较差，只能给一定方向的目的节点提供通信。
(2)现有的单天线全双工系统大多使用铁氧体环形器作为隔离器件。铁氧体环形器封装一般体积比较大，不利于集成化设计。
(3)现有单天线全双工系统收发隔离度比较低，自干扰消除能力较差。天线域和模拟域自干扰消除能力都有很大的潜力有待挖掘。
解决上述技术问题的难度：
传统的单天线收发隔离系统多使用铁氧体环形器进行实现，而宽带型的、集成度高的新型自干扰消除微带电路比较难以设计。电路的阻抗匹配和相位消除过程比较复杂，对设计者来说是一种挑战。
解决上述技术问题的意义：
本发明将分形迭代的思想应用到了微带电路设计当中，利用分形微带耦合器组替代了原有的微带线-铁氧体环形器结构。同时结合同时同频全双工中继通信特点，设计了一套含有天线域和模拟域自干扰消除的同时同频全双工中继通信系统。该中继系统不仅可以扩宽通信范围，大幅提升系统容量，而且工作在全双工模式下，大大节约了频谱资源，提升了频谱效率。相比于现有技术，发明将自干扰消除能力提升了31％左右。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于分形微带耦合器组的同时同频全双工单天线中继系统。
本发明是这样实现的，一种基于分形微带耦合器组的同时同频全双工单天线中继系统，所述基于分形微带耦合器组的同时同频全双工单天线中继系统设置有：
单端口天线；
单端口天线由射频线缆连接至分形微带耦合器组的天线端端口；分形微带耦合器组包括三个50欧姆端口：天线端、发送端和接收端；
模拟域自干扰消除模块，利用功分器拷贝一份发射信号，经过调相器、调幅器重构反向自干扰信号后由合成器汇合到接收信号上消除自干扰；模拟域自干扰消除模块由射频线缆连接分形微带耦合器组发送端和接收端；信号经过模拟域自干扰消除模块在实现模拟域自干扰信号的重构和抵消之后，由射频线缆连接至数控放大器模块。
数控放大器模块，用于通过数字信号实时调整中继放大器的放大系数；同时可以结合同时同频全双工双向中继协作通信，计算基于最大信干噪比的放大因子并调整放大因子。
进一步，所述射频线缆为SMA接口的屏蔽线缆。
进一步，所述天线端、发送端和接收端用于和其他模块进行连接，端口同样是SMA接口，阻抗为50欧姆。
进一步，所述分形微带耦合器组还包括微带耦合器至50欧姆匹配负载，匹配负载接地，微带耦合器由50欧姆的微带线连接。
进一步，所述模拟域自干扰消除模块由功分器、调相器、调幅器、合成器构成；
功分器、合成器由SMA接口的微波功分器实现；调相器由两路直流电压控制的正交矢量调制器实现，实现自干扰信号的相位反向重构；调幅器由数字可控衰减器可固定衰减器串联实现，实现自干扰信号的幅度重构。
进一步，所述数控放大器模块由一块数字可调放大器构成。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于分形微带耦合器组的同时同频全双工单天线中继系统的无线电传输系统。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于分形微带耦合器组的同时同频全双工单天线中继系统的全双工中继通信系统。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：相对于分离天线全双工中继系统，单天线全双工系统有着体积小，移动性好，全向性好的优点。相比于传统隔离技术，本发明没有使用封装体积较大的铁氧体元环形器器件而全部使用金属微带线进行收发隔离，有利于减少通信设备体积，提高器件的集成度。并且通过模拟实验发现，本发明提出的分形微带耦合器组方法可以提高收发隔离度进而提高自干扰消除能力。模拟域自干扰消除模块可以进一步的消除剩余自干扰，从而将大部分的自干扰消除在天线域和模拟域。可调节增益的数控放大器模块可以控制全双工中继的发射功率，使其处于良好的通信状态下。
本发明将分形迭代的思想应用到了微带电路设计当中，利用分形微带耦合器组替代了现有的微带线-铁氧体环形器结构。同时结合同时同频全双工中继通信特点，设计了一套含有天线域和模拟域自干扰消除的同时同频全双工中继通信系统。该中继系统不仅可以扩宽通信范围，大幅提升系统容量，而且工作在全双工模式下，大大节约了频谱资源，提升了频谱效率。相比于现有技术，发明将自干扰消除能力提升了31％左右。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于分形微带耦合器组的同时同频全双工单天线中继系统的结构示意图。
图2是本发明实施例提供的分形微带耦合器组的微带线布局图。
图3是本发明实施例提供的分形微带耦合器组内单个多支微带耦合器示意图。
图4是本发明实施例提供的分形微带耦合器组隔离度和现有方法隔离度在中心频率为2.4GHz时的对比仿真图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明的基于分形微带耦合器组的同时同频全双工单天线中继系统包括：单天线结构；用于消除自干扰信号的分形微带耦合器组；由功分器、调相器、调幅器、合成器构成的模拟域自干扰消除模块；由数控放大器构成的可控中继放大模块。本发明构建了从天线域到模拟域的同时同频全双工自干扰消除系统，利用分形微带耦合器组提高了同时同频全双工中继消除自干扰的能力。采用射频微带线结构，减少了设计体积，在无线传输领域具有实际应用价值。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的基于分形微带耦合器组的同时同频全双工单天线中继系统包括：单端口天线1、分形微带耦合器组2、模拟域自干扰消除模块3和数控放大器模块4。
单端口天线1由射频线缆5连接至分形微带耦合器组2的天线端21端口，其中单端口天线为市面上常见的SMA接口的棒状天线，价格低廉，经济实惠。线缆为SMA接口的屏蔽线缆。分形微带耦合器组2包括三个50欧姆端口：天线端21、发送端22和接收端23，这三个端口用于和其他模块进行连接，端口同样是SMA接口，阻抗为50欧姆。分形微带耦合器组2还包括微带耦合器24至212以及他们的50欧姆匹配负载213，匹配负载接地，微带耦合器24至212的尺寸，大小一致，由50欧姆的微带线214连接。耦合器及周边微带电路由AWR软件设计、仿真后制板实现。分形微带耦合器组2可以利用所设计的耦合器的相位变换来消除自干扰。
模拟域自干扰消除模块3由功分器31、调相器32、调幅器33、合成器34构成，其中功分器31、合成器34均由SMA接口的微波功分器实现。调相器32由两路直流电压控制的正交矢量调制器实现，可以实现自干扰信号的相位反向重构。调幅器33由数字可控衰减器可固定衰减器串联实现，可以实现自干扰信号的幅度重构。模拟域自干扰消除模块3可以利用功分器31拷贝一份发射信号，经过调相器32、调幅器33重构反向自干扰信号后由合成器34汇合到接收信号上从而消除自干扰。
数控放大器模块4由一块数字可调放大器构成，可以通过数字信号实时调整中继放大器的放大系数。同时可以结合同时同频全双工双向中继协作通信，计算基于最大信干噪比的放大因子并调整放大因子使整个通信系统处于最佳通信状态下。
如图2所示，在中心频率2.4GHz的条件下，选择Rogers公司的4003C作为基板，介电常数为3.55，板厚0.813mm，损耗角正切为0.0027，覆铜厚度0.035mm。分形微带耦合器组2利用分形布局，结合相位构造消除技术，将9个微带耦合器通过分形布局实现了较高的收发隔离，结合单端口天线1实现了单天线同时同频收发信号。
如图3所示，微带耦合器24-212为多分支线3分贝耦合器结构，相比于单分支线有较好宽带性能。以24为例，其中W0、Wb、Wa1、Wa2、Lb、la1、la2表示了各分支线尺寸，该耦合器上下对称，左右对称。其各分支线的具体尺寸由中心频率和板材共同决定。根据微波耦合器的基本理论，可以计算得主线和支线的归一化特性阻抗分别为：Zb≈38.658Ω，Za1≈112.663Ω，Za2≈44.912Ω。应用AWR的TXLINE工具，考虑到耦合器各分支的电长度都是90deg，计算出各分支线物理长度和宽度如下：
W0≈1.778mm、Wb≈2.64556mm、Wa1≈0.290863mm、Wa2≈2.11002mm、lb≈18.4193mm、la1＝la2≈19.5611mm。
下面结合仿真实验对本发明的应用效果作详细的描述。
1.仿真条件
本发明的仿真实验是AWR Design Environment 14软件下进行的。对中心频率为2.4GHz的本发明进行仿真计算。本次仿真实验AXIEM模拟器进行电磁仿真，AXIEM为三维平面电磁仿真工具，AXIEM求解器采用矩量法，可为微波电路设计提供快速、精确的电磁仿真。本次仿真频率范围为1.4GHz-3.4GHz，步长为0.1GHz，仿真的参数为从发送端22到接收端23的隔离度，单位为分贝。
2.仿真内容及仿真结果
以文献S.K.Cheung,W.H.Weedon and C.P.Caldwell,"High isolation lange-ferrite circulators with NF suppression for simultaneous transmit andreceive,"2010IEEE MTT-S International Microwave Symposium,Anaheim,CA,2010,pp.1352-1355.所提方法为对比方法，对采用对比方法和本发明所提方法的全双工单天线收发隔离度性能进行仿真对比，结果如图4所示。仿真结果表明：在中心频率附近，使用本发明方法的全双工单天线系统收发隔离度性能明显优于采用对比方法的隔离性能，也就是说本发明可以实现更高的全双工自干扰消除。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于分形微带耦合器组的同时同频全双工单天线中继系统，其特征在于，所述基于分形微带耦合器组的同时同频全双工单天线中继系统设置有：
单端口天线；
单端口天线由射频线缆连接至分形微带耦合器组的天线端端口；分形微带耦合器组包括三个50欧姆端口：天线端、发送端和接收端；
模拟域自干扰消除模块，利用功分器拷贝一份发射信号，经过调相器、调幅器重构反向自干扰信号后由合成器汇合到接收信号上消除自干扰；
数控放大器模块，用于通过数字信号实时调整中继放大器的放大系数；同时可以结合同时同频全双工双向中继协作通信，计算基于最大信干噪比的放大因子并调整放大因子。
2.如权利要求1所述的基于分形微带耦合器组的同时同频全双工单天线中继系统，其特征在于，所述射频线缆为SMA接口的屏蔽线缆。
3.如权利要求1所述的基于分形微带耦合器组的同时同频全双工单天线中继系统，其特征在于，所述天线端、发送端和接收端用于和其他模块进行连接，端口同样是SMA接口，阻抗为50欧姆。
4.如权利要求1所述的基于分形微带耦合器组的同时同频全双工单天线中继系统，其特征在于，所述分形微带耦合器组还包括微带耦合器至50欧姆匹配负载，匹配负载接地，微带耦合器由50欧姆的微带线连接。
5.如权利要求1所述的基于分形微带耦合器组的同时同频全双工单天线中继系统，其特征在于，所述模拟域自干扰消除模块由功分器、调相器、调幅器、合成器构成；
功分器、合成器由SMA接口的微波功分器实现；调相器由两路直流电压控制的正交矢量调制器实现，实现自干扰信号的相位反向重构；调幅器由数字可控衰减器可固定衰减器串联实现，实现自干扰信号的幅度重构。
6.如权利要求1所述的基于分形微带耦合器组的同时同频全双工单天线中继系统，其特征在于，所述数控放大器模块由一块数字可调放大器构成。
7.一种应用权利要求1～6任意一项所述基于分形微带耦合器组的同时同频全双工单天线中继系统的无线电传输系统。
8.一种应用权利要求1～6任意一项所述基于分形微带耦合器组的同时同频全双工单天线中继系统的全双工中继通信系统。
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