CN110212940B - 一种用于同时同频全双工通信的天线系统 - Google Patents

一种用于同时同频全双工通信的天线系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于同时同频全双工通信的天线系统，属于微波天线技术领域。本发明包括一个天线阵列和一个全双工网络。本发明不同于现有技术中采用有源自干扰抑制方案的全双工网络，采用无源结构，且整体具有互易性，使系统接口更加灵活。本发明的本地收、发端均工作于相同的圆极化状态，由馈电网络与天线接口处的阻抗失配产生的反射、天线阵列中各单元之间的互耦以及本地发射机经馈电网络的泄漏而产生的自干扰信号在本地接收端均能有效地抵消。本发明可用低剖面的微带技术实现，相比于有源对消方案，采用无源对消方案不必考虑网络的非线性效应且没有直流偏置网络，使得整个网络更加紧凑并有助于小型化，具有广阔的应用前景。

Description

一种用于同时同频全双工通信的天线系统
技术领域
本发明属于微波天线技术领域，具体涉及一种用于同时同频全双工通信的天线系统。
背景技术
随着无线通信技术的应用和快速发展，无线通信已经成为个人和社会不可缺少的沟通与交流手段。目前的无线频谱资源已近枯竭，而无线通信业务对频谱资源的需求却呈指数上升。为了充分利用有限的频谱资源，同时同频全双工技术应运而生。不同于已有的频分双工、时分双工，同时同频全双工无线通信是在相同的工作频率下，同时发射和接收无线信号，从而使无线通信的容量在现存通信体制基础上扩大一倍，或者，频率利用率提高一倍。无线通信系统在同时同频的发射和接收信息时，为了保证通信质量，收发间必须有足够的隔离，在天线层面，可以通过收发天线分离来实现，但这会增加系统复杂度，尤其是系统的体积和成本。在共用收发天线的通信系统中实现同时同频全双工，对降低系统的体积、成本，与现存系统的兼容以及系统的紧凑性等方面具有重要的价值和意义。
文献“Monostatic co-polarized full-duplex antenna with left-or right-hand circular polarization”公开的天线系统通过改进的巴特勒矩阵馈电，实现本地接收端与发射端的高隔离。但是，上述馈电网络结构较为复杂，且收发端口为各自独立的馈电网络，整个系统实现过程繁琐，不利于系统小型化。
文献“Monostatic copolarized simultaneous transmit and receive(STAR)antenna by integrated single-layer design”通过发射天线和接收天线各自独立的馈电网络对四个同心布置的微带辐射元件进行适当的激励，为高集成度的带内双工提供可能。但是，上述系统需要两套馈电网络，实现过程较为繁琐。
文献“Single antenna full duplex communications using a commoncarrier”采用单天线均衡馈电系统可实现收发端的高隔离。但是，所提出的馈电系统只能应用于天线单元而不能应用到天线阵列上。
申请号为200610113054.4的中国发明专利申请公开了一种适用于同频同时隙双工的干扰消除方法。该专利申请所公开的技术方案中，通过接收机中设置信号预处理和天线分布的方法来进行干扰抵消。按照该方法，信号预处理需要系统协议配合，设置无线终端停止发送信号的特殊时隙，接收天线需要尽可能放置在发射天线辐射的极小点位置，在具体实施时系统复杂。
申请号为201210035077.3的中国发明专利申请公开了一种单个载体中多种电磁设备间同时同频工作的方法。该专利所公开的技术方案中，通过在受限空间中单个载体内的多个设备上增加数字接口和模拟接口，在各个设备接收流程中通过模拟干扰抑制和数字干扰抑制来完成干扰抵消。但该方案在干扰较强时，模拟和数字抑制层面(尤其是模拟抑制层面)容易进入饱和状态而带来不容忽视的非线性效应。
申请号为201510262792.4的中国发明专利申请公开了一种同时同频全双工极限自干扰抵消系统。该同时同频全双工系统终端采用多天线方案，用多个天线来实现射频、天线层面的干扰消除目的。多天线成本高，且要求终端有足够空间来布置天线，这不但增加系统成本，也使系统庞大。
申请号为201610556116.2的中国发明专利申请公开了一种基于中频域自干扰抑制的同时同频全双工通信方法及装置。该专利所公开的技术方案中，需要数模转换模块分别进行接收信号及发射信号的处理，且收发端天线各不相同，其自干扰抑制重构及抑制均只能在中频域进行，抑制能力有限。
此外，利用自旋转构型实现本地收、发高隔离性能的圆极化天线已有相应报道，但是这些方案馈电网络或双工网络较复杂，也不利于小型化。目前，尚无收发端口共用一套馈电网络且同时实现自干扰抑制能力强、结构简单的全双工天线系统。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种用于同时同频全双工通信的天线系统。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：
一种用于同时同频全双工通信的天线系统，包括一个天线阵列和一个全双工网络；
天线阵列包括四个结构相同的子阵，分别记为第一子阵、第二子阵、第三子阵、第四子阵；四个子阵呈矩形栅格分布，且均匀分布在同一圆周上；第一子阵、第二子阵、第三子阵、第四子阵分别绕其自身相位中心顺时针旋转0°、90°、180°、270°；每个子阵为两个线极化单元构成的双极化天线，分别记为第一线极化单元011、013、015、017和第二线极化单元012、014、016、018；第一子阵的第一线极化单元的输入端记为第一端口101、第二线极化单元的输入端记为第二端口102；第二子阵的第一线极化单元的输入端记为第三端口103、第二线极化单元的输入端记为第四端口104；第三子阵的第一线极化单元的输入端记为第五端口105、第二线极化单元的输入端记为第六端口106；第四子阵的第一线极化单元的输入端记为第七端口107、第二线极化单元的输入端记为第八端口108；
第五端口105通过电长度为180度的第一传输线301与第一端口101相连于第一节点201；第六端口106通过电长度为180度的第二传输线302与第二端口102相连于第二节点202；第八端口108通过电长度为180度的第三传输线303与第四端口104相连于第三节点203；第七端口107通过电长度为180度的第四传输304与第三端口103相连于第四节点204；
全双工网络包括若干传输线和两个180度混合网络400、500；若干传输线具体为四根电长度为180度的传输线和两根电长度为90度的传输线；混合网络包括和端口401、501、差端口402、502、第一输出端口403、503和第二输出端口404、504；输入到混合网络的和端口的信号将在第一输出端口和第二输出端口被均匀分成两个相位相同的分量，而差端口将被隔离；若输入信号施加到混合网络的差端口，则输入信号将在第一输出端口和第二输出端口等分成两个具有180度相位差的分量，而和端口将被隔离，此时第一输出端口输出相位与第二输出端口输出相位之差为+180度；第一混合网络的和端口401通过电长度为90度的第五传输线305与第二混合网络的和端口501相连，第一混合网络的差端口402通过一段电长度为90度的第六传输线306与第二混合网络的差端口502相连；
第一混合网络的第一输出端口403与第三节点203相连；第一混合网络的第二输出端口404与第四节点204相连；第二混合网络的第一输出端口503与第二节点202相连；第二混合网络的第二输出端口504与第一节点201相连；
位于第五传输线305和第二混合网络的和端口501之间的节点205连接同时同频全双工通信的天线系统的接收端601，位于第六传输线306和第二混合网络的差端口502之间的第六节点206连接同时同频全双工通信的天线系统的发送端602。
进一步地，所述180度混合网络可以是微带环形混合网络。
本发明的有益效果是：
本发明公开了一种同时同频全双工通信的天线系统，具有结构简单、紧凑和小型化的特点。该全双工网络本地收、发端口共享阵列的所有辐射单元，本地收、发端工作于相同的圆极化状态，由馈电网络与天线接口处的阻抗失配产生的反射、天线阵列中各单元之间的互耦以及本地发射机经馈电网络的泄漏而产生的自干扰信号在本地接收端均能有效的抵消，使本地收发端具有高隔离度的特点。本发明可用低剖面的微带技术实现，相比于有源对消方案，本发明采用无源对消方案不必考虑网络的非线性效应且没有直流偏置网络，使得整个网络更加紧凑并有助于小型化，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明所述同时同频全双工通信的天线系统的天线布阵构型图；
图2为本发明所述同时同频全双工通信的天线系统的全双工网络示意图；
图3为实施例所述同时同频全双工通信的天线系统由天线互耦产生的自干扰信号流图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
本实施例提供用于一种同时同频全双工通信的天线系统，包括一个天线阵列和一个全双工网络；
天线阵列包括四个结构相同的子阵，分别记为第一子阵、第二子阵、第三子阵、第四子阵；四个子阵呈矩形栅格分布，且均匀分布在同一圆周上；第一子阵、第二子阵、第三子阵、第四子阵分别绕其自身相位中心顺时针旋转0°、90°、180°、270°；每个子阵为两个线极化单元构成的双极化天线，分别记为第一线极化单元011、013、015、017和第二线极化单元012、014、016、018；第一子阵的第一线极化单元的输入端记为第一端口101、第二线极化单元的输入端记为第二端口102；第二子阵的第一线极化单元的输入端记为第三端口103、第二线极化单元的输入端记为第四端口104；第三子阵的第一线极化单元的输入端记为第五端口105、第二线极化单元的输入端记为第六端口106；第四子阵的第一线极化单元的输入端记为第七端口107、第二线极化单元的输入端记为第八端口108；
第五端口105通过电长度为180度的第一传输线301与第一端口101相连于第一节点201；第六端口106通过电长度为180度的第二传输线302与第二端口102相连于第二节点202；第八端口108通过电长度为180度的第三传输线303与第四端口104相连于第三节点203；第七端口107通过电长度为180度的第四传输304与第三端口103相连于第四节点204；
全双工网络包括若干传输线和两个180度混合网络400、500；若干传输线具体为四根电长度为180度的传输线和两根电长度为90度的传输线；混合网络包括和端口401、501、差端口402、502、第一输出端口403、503和第二输出端口404、504；输入到混合网络的和端口的信号将在第一输出端口和第二输出端口被均匀分成两个相位相同的分量，而差端口将被隔离；若输入信号施加到混合网络的差端口，则输入信号将在第一输出端口和第二输出端口等分成两个具有180度相位差的分量，而和端口将被隔离，此时第一输出端口输出相位与第二输出端口输出相位之差为+180度；第一混合网络的和端口401通过电长度为90度的第五传输线305与第二混合网络的和端口501相连，第一混合网络的差端口402通过一段电长度为90度的第六传输线306与第二混合网络的差端口502相连；
第一混合网络的第一输出端口403与第三节点203相连；第一混合网络的第二输出端口404与第四节点204相连；第二混合网络的第一输出端口503与第二节点202相连；第二混合网络的第二输出端口504与第一节点201相连；
位于第五传输线305和第二混合网络的和端口501之间的节点205连接同时同频全双工通信的天线系统的接收端601，位于第六传输线306和第二混合网络的差端口502之间的第六节点206连接同时同频全双工通信的天线系统的发送端602。
以第一端口101对应的第一线极化单元011到第八端口108对应的第二线极化单元018为例分析单元间互耦产生的自干扰情况，因为这两个单元间的耦合代表了阵列中的最强耦合。如图3所示，定义发送端602的输入电压为V，则通过两条支路经线极化单元011和018的耦合泄露至接收端601端的电压可通过信号流图分析得到，其中，第一路径为801，其依次经过发送端602、第二混合网络500的差端口502、第二混合网络500的第二输出端口504，到达第一线极化单元011，然后由第一线极化单元011耦合到第二线极化单元018，再经由传输线303到达第一混合网络400的第一输出端口403、第一混合网络400的和端口401，再经过传输线305到达接收端口601；第二路径为802，其依次经过发送端602、传输线306、第一混合网络400的差端口402、第一混合网络400的第一输出端口403、经过传输线303到达第二线极化单元018，然后经由第二线极化单元018耦合到第一线极化单元011，再到达第二混合网络500的第二输出端口504，接着经过第二混合网络500的和端口501，然后到达天线接收端口601。
通过路径801经单元011和018耦合至601端的电压为：
V601,801＝e-jπ/2|SR1|e-jπ/2e-jπCM*|SR1|e-j3π/2*V
通过路径802经单元011和018耦合至601端的电压为：
V601,802＝|SR2|e-jπ/2*CM*e-jπ*|SR2|*e-jπ/2*e-jπ/2*V
接收端601的总输出电压V601，T：
V601,801+V601,802＝V601,T＝0
其中，
Figure GDA0002730590910000051
SR1是第一混合网络的传输系数的幅度，SR2是第二混合网络的传输系数的幅度，CM是线极化单元011与线极化单元018的耦合系数，此处假定所有微波网络及传输线均为无耗。
本发明实施例分析表明，由线极化单元011和线极化单元018之间耦合产生的自干扰信号在传输至接收端601后相互抵消。该阵列中所有因天线耦合产生的自干扰均可采用上述信号流图法进行分析，且在理论上均可被完全抵消。此外，由混合网络自身有限隔离以及天线阵列输入阻抗失配带来的自干扰信号，其分析方法也与图3类似，并且在理论上也能被完全抵消，此处不再赘述。
从本发明实施案例可知，本发明所提出的全双工通信方案，本地收、发端共用一套馈电网络，且工作于相同的圆极化状态，由馈电网络与天线接口处的阻抗失配产生的反射、天线阵列中各单元之间的耦合以及本地发射机经馈电网络的泄漏而产生的自干扰信号在本地接收端均能有效地抵消。该方案可用低剖面的微带技术实现。相比于有源对消方案，本发明采用无源对消方案不必考虑网络的非线性效应且没有直流偏置网络，使得整个网络更加紧凑并有助于小型化，具有广阔的应用前景。

Claims (2)

1.一种用于同时同频全双工通信的天线系统，其特征在于，包括一个天线阵列和一个全双工网络；
天线阵列包括四个结构相同的子阵，分别记为第一子阵、第二子阵、第三子阵、第四子阵；四个子阵呈矩形栅格分布，且均匀分布在同一圆周上；第一子阵、第二子阵、第三子阵、第四子阵分别绕其自身相位中心顺时针旋转0°、90°、180°、270°；
每个子阵为两个线极化单元构成的双极化天线，分别记为第一线极化单元(011、013、015、017)和第二线极化单元(012、014、016、018)；第一子阵的第一线极化单元的输入端记为第一端口(101)、第二线极化单元的输入端记为第二端口(102)；第二子阵的第一线极化单元的输入端记为第三端口(103)、第二线极化单元的输入端记为第四端口(104)；第三子阵的第一线极化单元的输入端记为第五端口(105)、第二线极化单元的输入端记为第六端口(106)；第四子阵的第一线极化单元的输入端记为第七端口(107)、第二线极化单元的输入端记为第八端口(108)；
第五端口(105)通过电长度为180度的第一传输线(301)与第一端口(101)相连于第一节点(201)；第六端口(106)通过电长度为180度的第二传输线(302)与第二端口(102)相连于第二节点(202)；第八端口(108)通过电长度为180度的第三传输线(303)与第四端口(104)相连于第三节点(203)；第七端口(107)通过电长度为180度的第四传输(304)与第三端口(103)相连于第四节点(204)；
全双工网络包括若干传输线和两个180度混合网络(400、500)；若干传输线具体为电长度为180度的第一传输线、电长度为180度的第二传输线、电长度为180度的第三传输线、电长度为180度的第四传输线和两根电长度为90度的传输线；混合网络包括和端口(401、501)、差端口(402、502)、第一输出端口(403、503)和第二输出端口(404、504)；输入到混合网络的和端口的信号将在第一输出端口和第二输出端口被均匀分成两个相位相同的分量，而差端口将被隔离；若输入信号施加到混合网络的差端口，则输入信号将在第一输出端口和第二输出端口等分成两个具有180度相位差的分量，而和端口将被隔离，此时第一输出端口输出相位与第二输出端口输出相位之差为+180度；第一混合网络的和端口(401)通过电长度为90度的第五传输线(305)与第二混合网络的和端口(501)相连，第一混合网络的差端口(402)通过一段电长度为90度的第六传输线(306)与第二混合网络的差端口(502)相连；
第一混合网络的第一输出端口(403)与第三节点(203)相连；第一混合网络的第二输出端口(404)与第四节点(204)相连；第二混合网络的第一输出端口(503)与第二节点(202)相连；第二混合网络的第二输出端口(504)与第一节点(201)相连；
位于第五传输线(305)和第二混合网络的和端口(501)之间的节点(205)连接同时同频全双工通信的天线系统的接收端(601)，位于第六传输线(306)和第二混合网络的差端口(502)之间的第六节点(206)连接同时同频全双工通信的天线系统的发送端(602)。
2.根据权利要求1所述的用于同时同频全双工通信的天线系统，其特征在于，所述180度混合网络是微带环形混合网络。
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