帶內全雙工通信中天線自干擾抑制研究進展

孫國營　劉偉榮

關鍵詞：帶內全雙工；自干擾抑制；天線；無線通信

隨著5G 和6G 等新一代無線通信技術的部署與研制，各種多樣化的信息服務業務不斷涌現。然而，新的無線通信服務場景、服務質量以及相關技術的升級等都需要大量的頻譜資源開銷，這使得頻譜資源日益緊張。

為了解決這一問題，研究人員提出了許多技術和方法，以提高頻譜利用率，其中帶內全雙工（IBFD， in-bandfull-duplex） 無線通信技術因其能夠實現節點間同一頻段同時進行無線信號的發送和接收，而受到越來越多國內外學者的關注和研究[1-3]。

與廣泛采用的時分雙工和頻分雙工通信模式相比，IBFD 技術可以成倍地提高頻譜資源的利用率，但不可避免地，該技術還是面臨著自干擾（self-interference，SI）信號難以消除的技術問題。針對帶內全雙工系統進行SI 抑制是一個復雜的系統問題，需要結合天線、射頻以及數字信號處理等多個方面的自擾抑制技術，才能達到期望的抑制效果。作為SI 信號泄漏到接收端的主要途徑，收發天線間的自擾抑制性能往往對整個系統的SI 消除具有很大的影響。因而，帶內全雙工系統收發天線間的自干擾抑制技術研究具有重要意義。

近年來，國內外學者在這一領域進行了深入的探討和研究，提出了大量可行的技術方案，逐步實現了IBFD 無線通信中收發天線間SI 的有效抑制。文中將對當前IBFD 無線通信系統中的收發天線自擾抑制方案進行研究，闡述當前該領域的相關研究進展，總結不同自擾抑制方案所采用的技術手段和實現機理。通過對不同方案的匯總比較，分析不同方案的優勢和不足，并結合當前的研究現狀，展望未來該領域的研究和發展方向。

一、IBFD 通信收發天線自擾抑制基本方法及原理

IBFD 通信的應用場景主要有定向通信場景和全向無線信號覆蓋。針對不同收發天線的應用場景和天線形式，研究者們提出了不同形式的收發天線自擾抑制設計方案。整體來看，IBFD 收發天線主要可以分為收發共用和收發分離兩種設計模式。收發共用式方案的收發天線往往共用一個結構體，而收發分離式方案一般采用分離式的收發天線配置模式。

兩種設計方案在設計模式上具有很大的差異，因而采用的自擾抑制方案也有很大不同。收發天線共用式場景下主要有正交極化、混合環、SI 消除饋電網絡和柵欄- 帶狀線諧振器加載結構等SI 抑制方法。其中，正交極化方式利用了正交極化天線之間的極化隔離來實現SI 抑制；混合環和SI 消除饋電網絡則通過實現多路自擾信號間的相消疊加來提升自擾抑制水平。收發分離式場景中自干抑制的相關研究較多，通過對這類方法進行研究，文中總結了以下主要的方法：

①增大收發天線的分布距離或者優化收發天線排布。這類方法中，增加收發天線間的距離可以直接降低自擾信號在接收天線處的信號強度，而優化收發天線的排布方式則可以通過改進收發天線的位置，使得接收天線處于發送天線的弱輻射區域，從而降低在接收天線處的自擾信號強度。

②雙發送天線加單接收天線模式。該類方法采用不同的收發天線配置數量，發送天線采用雙天線，接收天線處采用單天線配置。其基本思想是通過兩個發送天線的反向配置，在接收天線處產生兩路發送天線干擾信號的反相位疊加，從而實現接收天線處總SI 信號的抑制。

③增加新的干擾信號傳播路徑。該類方法的主要思想是人為地增加一條新的SI 信號傳播路徑，從而實現在接收天線處兩路SI 信號的疊加，通過適當調整兩路干擾信號的到達相位，實現兩路SI 信號的相互抵消。

④采用正交極化的收發天線。這類方法中發送天線采用一種極化方式，接收天線采用另一種正交的極化方式，通過利用正交極化的收發天線之間的高隔離度來降低IBFD 系統中自擾信號的強度。其中，采用的極化方式可以是正交的線極化方式（水平和垂直極化）或者是相互正交的圓極化方式（左旋圓極化和右旋圓極化）。

⑤利用高阻抗表面或電磁帶隙結構。該類方法在收發天線之間添加高阻抗表面或者電磁帶隙結構，通過特殊的高阻抗結構增大SI 信號在傳播過程中的損耗，從而降低接收天線處SI 信號的信號功率，達到抑制SI 的目的。

二、收發共用場景下的SI抑制

收發天線共用場景由于可以有效地節省系統空間，近幾年得到了較多關注。研究者們提出了一些在該場景下有效的SI 抑制方法，其中有3dB 環形混合耦合器、柵欄- 帶狀線諧振器、干擾抑制饋電網絡等多種新穎的方法，下文將詳細介紹相關的研究進展。

（一）共用單輻射體結構

文獻[4] 中提出了一種共用U 形腔體結構的自擾抑制收發天線結構。該收發天線系統中，發送天線為單縫隙結構，接收天線為雙縫隙結構。通過兩種不同形式的饋電方式，收發天線實現了兩種正交的線極化工作模式。經實際加工測試，該方案在3.4G-3.8GHz 頻帶上實現了優于43dB 的收發隔離。基于正交極化和3dB 環形混合耦合器，文獻[5] 中設計了一款共用輻射貼片形式的IBFD 通信收發天線。該方案中收發天線共用同一個輻射貼片，發送端口采用傳統的邊緣中心饋電方法進行饋電，接收端口采用與發送端口極化正交的雙端口饋電模式，從而使收發端口呈現正交極化（如圖2 所示）。通過結合3dB 環形混合耦合器的差模饋電模式，該方案在2.5GHz 頻率處實現了高于40dB 的SI 抑制（50MHz 帶寬上）。

文獻[6] 中提出了一種基于柵欄- 帶狀線諧振器的同極化IBFD 收發天線設計方案。該方案中收發端口采用所示的同極化饋電方式。為了降低同極化饋電時收發端口之間的SI，方案中在收發端口之間設計了一個柵欄-帶狀線諧振器結構。通過該結構將收發天線的諧振模式轉變為半TM01 模式，實現對發射天線輻射電流的約束，從而在2.4G-2.52GHz 的帶寬上實現了收發端口間高于20dB 的端口隔離度。

與此上述方案不同，文獻[7] 提出了一種雙差分饋電結的IBFD 收發天線設計方案。如圖3 所示， 該方案中采用收發共用一個矩形貼片的結構，在貼片的四個邊分別進行差分模式的饋電，從而實現收發天線的正交的極化模式。為了有效抑制收發天線間的自擾，該方案中收發天線端口分別采用3dB 180 度環形耦合環對貼片進行饋電。通過以上設計，該方案實現了在20MHz 帶寬上優于90dB 的SI 抑制。

（二）共用多輻射體結構

除了單輻射結構，采用多輻射貼片收發天線的自擾抑制方案也已經有了相關研究。文獻[8] 提出了一種多輻射貼片結構的共圓極化IBFD 收發天線自擾抑制方案。該方案中采用圖4 所示的四個環形排布的方形金屬片作為輻射結構，收發天線端口均通過相應的饋電網絡連接到四個輻射貼片上。為了降低收發端口之間的SI，兩種不同模式的饋電網絡分別被用來給四個輻射貼片饋電。最終，在收發天線共圓極化的基礎上，該方案實現了2.4—2.5GHz 頻帶內優于40dB 的收發隔離。

與此類似，文獻[9] 中設計了一種由四個共用電偶極子作為輻射單元的IBFD 收發天線方案。為抑制收發天線間的SI，方案中采用兩個180 度混合耦合器和一個90 度混合耦合器組成的6 端口網絡為收發天線進行饋電。通過饋電網絡中SI 信號的混合抵消，上述方案實現了在4.81—5.88GHz 頻帶上優于40dB 的SI 抑制。

三、收發分離場景下的SI抑制

相較于共用式的收發天線方案，收發分離式方案中SI 抑制研究已經有很多相關的研究基礎。在多天線耦合抑制方面，已經提出了超表面結構、蜿蜒線諧振器、陶瓷覆層、中和線、分形缺陷地結構、陷波結構和寄生元等多種技術方案[10-18]。在IBFD 收發天線的SI 抑制上，這些方法同樣具有借鑒意義。近些年，通過在不同方向的研究實踐，研究者們在收發分離式的IBFD 收發天線自擾抑制方面取得了較多成果。根據所采用的收發天線形式，這些成果主要可以分成全向和定向收發天線兩類。

（一）全向收發天線間SI 抑制

全向輻射收發間SI 抑制方面，文獻[19] 基于兩種不同形式全向收發天線，提出了一種高收發隔離的收發天線方案。在這種方案中，發送天線采用旋轉柵門結構的T 形單極子結構，接收天線則采用中心對稱排布的同相位四偶極子形式。通過兩種形式之間的模式差異，實現了高于37dB 收發自擾抑制。

文獻[20-21] 則針對印刷線性排布偶極子形式的收發天線的SI 進行研究，分別提出了H 形網格和漸變環印制SI 抑制結構，均實現了收發天線間SI 優于50dB 的SI 抑制。此外，文獻[22] 中提出了一種采用倒錐單極子和環形彎曲環陣列提出了一種具有全向輻射特性的收發天線方案。該方案采用正交的收發極化方式，在0.6G-1.75GHz 的寬頻帶上實現了高于40dB 的SI 抑制。

（二）定向收發天線間SI抑制

定向分離式收發天線方面，文獻[23] 通過對線性排布的微帶收發天線間的SI 抑制進行研究，提出了一種基于缺陷地結構和近場去耦結構SI 抑制方案。該方案中，收發天線采用兩個間距僅為0.01 倍波長的微帶天線。為了降低兩個收發天線的SI，該方案中在兩個天線間添加了缺陷地結構和Z 字形連接結構。通過繞射波和耦合波之間的反相位疊加，實現了在5.85GHz 附近優于90dB的自干擾抑制水平。

文獻[24] 中采用可以重構的反射性負載實現了收發天線間的可控SI 抑制（如圖5 所示）。當SI 抑制端口處于工作狀態時，該方案收發天線能夠在300MHz 帶寬上實現高于50dB 的SI 抑制。與上述方案不同，文獻[25]則基于分離的雙接收和單發送結構提出了一種具有自擾抑制的IBFD 收發天線方案。該方案中收發天線整體為線性排布，兩個接收天線為同極化反向工作模式。發送天線放置在兩個接收天線之間，采用與接收天線正交的極化方式。在SI 消除方面，兩個接收天線采用3 端口環形耦合器進行饋電，從而實現兩路反相SI 的抵消。實際測試結構表明，該方案能夠在150MHz 帶寬上實現大于60dB 的SI 抑制。

此外，文獻[26] 中提出了一種采用雙發送和雙接收配置的收發天線方案。該方案采用環形排布微帶天線陣列，其中，左右兩個為接收單元，上下兩個為發送單元，接收和發送單元通過采用平衡饋電方式實現右旋圓極化工作模式。通過近場抵消方式，實現了在100MHz 頻帶上高于70dB 的自干擾抑制。

四、不同SI 抑制技術比較及展望

為了更加清晰直觀地比較不同類型SI 抑制方案的性能，文中選取了比較具有代表性的方案從收發天線配置、極化方式、自擾抑制方法、工作頻段、SI 抑制水平等五個方面進行比較。

表1 中給出了收發共用場景下不同自擾抑制方案對比。如表1 所示，相比于采用收發同極化的配置方案，收發正交極化天線方案能夠達到自擾抑制水平相對較低。這是由于正交極化的收發天線之間的極化隔離能夠在一定程度上提升SI 抑制水平。

另外，采用SI 抑制饋電網絡能夠有效地提升收發端口間的自擾抑制水平。如果將收發正交極化和自擾抑制網絡相結合，則可以實現非常有效的收發天線間SI抑制，文獻[7] 將兩種方案結合后實現了優于80dB 自擾抑制。

表2 中對收發分離場景下不同自擾抑制方案進行對比。從表中可以看出，收發分離場景下，陷波諧振器、新增SI 消除網絡、正交極化、新增反射端口等多種方式均在該場景下得到了應用，并取得了一定效果。而且，不同的收發天線配置對所采用的自擾抑制手段有較大限制，有效地實現SI 抑制需要根據收發配置來選擇合適的抑制方法。此外，相對于單一手段，多種自擾抑制手段結合能夠更加有效地實現自擾抑制。

從收發共用和收發分離配置模式的對比來看，收發共用模式具有占用系統空間小、便于集成的優勢，但能夠采用的自干擾抑制方法較少。SI 抑制饋電網絡和正交極化是兩種比較有效的自擾抑制手段。收發分離場景占用系統空間較大，但是具有能夠靈活地采用多種收發天線的配置方式的優勢，因而能夠采用的自干擾抑制手段較多。因而，在SI 抑制技術方案選擇方面，需要綜合考慮空間大小、應用場景、技術指標、靈活度等多方面因素。綜合目前的研究現狀，筆者認為后續SI 抑制研究可以從以下幾個方面進行：

①寬帶的SI 抑制饋電網絡研究。目前相關的研究中提出的SI 抑制饋電網絡均存在窄工作頻帶問題，如何提升SI 抑制饋電網絡的工作帶寬是一個有意義的研究問題。

②可重構SI 抑制結構的研究。可重構抑制結構具有根據不同的應用需求，靈活的改變自身的工作頻帶的特性，因而在具有重要的應用價值。目前在該方面的研究相對較少，相關可行的方案的提出將會是一個新的突破。

③多種SI 抑制技術方案結合。現有研究表明多種自干擾抑制技術的結合能夠有效地提升SI 抑制性能，如果能夠巧妙地將多種SI 抑制技術結合，SI 抑制水也會有一定的提升。

④利用收發天線間的模式隔離。不同形式天線之間具有不同的工作模式，如果能實現不同工作模式的收發天線間有效集成，可以利用天線模式的差異實現SI 抑制。

五、結束語

本文主要對當前IBFD 無線通信系統中的收發天線自擾抑制方案進行綜述，詳細介紹了該領域的相關研究進展。根據收發天線配置方式的不同，本文將相關研究整體上劃分為收發共用場景和收發分離場景兩大類進行匯總比較，并展望了該領域未來的研究方向。

從比較研究的結果來看，收發共用場景便于系統集成，但能夠采用的SI 抑制手段較有限，主要有正交極化、改變天線工作模式和SI 抑制饋電網絡等三種主要方式。相比之下，收發共用場景中能夠采用的SI 抑制手段較豐富，但需要根據收發天線配置模式來選擇合適SI 抑制技術方案。當前該領域已經有很多相關研究報道，但整體上仍然存在收發自干擾抑制水平低、可用帶寬窄、未進行實際場景驗證等問題。在后續的研究中，可以根據不同的應用場景，在目前研究的基礎上針對以上問題進行研究。

作者單位：孫國營 杭州海康威視科技有限公司

劉偉榮 濟寧學院數學與計算機應用技術學院