基于介質諧振器的雙工天線綜述

第五代移動通信技術（5th Generation Mobile Communication Technology，5G）已在我國大規(guī)模商用，這種大容量、高速度、強穩(wěn)定性的通信技術，已滲透到經濟社會的各行業(yè)各領域，成為支撐經濟社會數(shù)字化、網絡化、智能化轉型的關鍵技術。目前，世界各國對5G乃至6G技術的研究正在如火如荼地開展之中。

然而，在無線通信技術急速發(fā)展的同時，無論是5G還是6G，都面臨著一個日益嚴重的問題：頻段的擁擠與頻譜資源的緊張。在移動通信領域，頻譜資源是推動產業(yè)發(fā)展的核心資源，是承載無線業(yè)務的基礎。要解決目前無線通信面臨的頻段擁擠與頻譜資源緊張的難題，需要研究新的解決方案或者突破關鍵技術。

帶內全雙工（In-Band Full Duplex, IBFD）技術是一個極具潛力的突破方向。帶內全雙工技術是指在同一頻段內同時進行信號的發(fā)射與接收的通信技術[1]。相比于以往的時分雙工（Time Division Duplex, TDD）和頻分雙工（Frequency Division Duplex, FDD），IBFD理論上可以將頻譜利用效率提高一倍，從而提升通信的數(shù)據(jù)容量和傳輸速率。因此，該技術能有效緩解如今頻段擁擠、頻譜資源緊張的局面。

然而，在設計IBFD系統(tǒng)時存在一項巨大的挑戰(zhàn)：抑制收發(fā)端口之間的干擾。在通常的IBFD系統(tǒng)中，發(fā)射端與接收端之間的隔離度要求極高，達到100dB以上[2]。

IBFD系統(tǒng)的自干擾由三個階段產生：天線端，模擬端和數(shù)字端。作為IBFD系統(tǒng)的前端，天線隔離度的高低直接影響該系統(tǒng)自干擾水平。增加天線端的隔離度，可以為后面模擬、數(shù)字階段的干擾消除減輕壓力。由此可見，可應用于帶內全雙工系統(tǒng)的具有高隔離度的天線設計是IBFD系統(tǒng)設計的關鍵環(huán)節(jié)，具有重大的研究意義。因此，帶內全雙工天線設計已成為近幾年以來的研究熱點，吸引著越來越多的研究者投入到這個方向上來。

雙工介質諧振天線及其國內外研究現(xiàn)狀

雙工天線的實現(xiàn)方式具有多樣性。以往的雙工天線的文獻大多基于微帶天線，腔體天線，縫隙天線和貼片天線來實現(xiàn)雙工[3]–[6]。然而，隨著頻率的升高，尤其是上升到毫米波頻段時，對于大部分常規(guī)天線來說，歐姆損耗就會變得尤其嚴重，天線的輻射性能也會隨之惡化。

近些年來，伴隨著介質材料種類的增加以及加工工藝的顯著提高，介質諧振天線這一新型天線憑借其獨特的優(yōu)勢，引起廣大研究人員的興趣與廣泛關注。如果采用介質諧振器的方式來實現(xiàn)雙工天線，由于輻射單元不具備金屬結構，只有介質塊向外輻射能量，幾乎不存在表面波損耗與歐姆損耗,所以具有比使用傳統(tǒng)天線實現(xiàn)方式更高的輻射效率。

除了低損耗，基于介質諧振器的雙工天線還具有諸多介質諧振天線的優(yōu)點：尺寸小、易集成、易激勵、寬帶等。由此可見，基于介質諧振器的雙工天線具有極大的研究價值。

目前，該方向的研究處于相對空白的狀態(tài)，可參考的研究成果較少。接下來將介紹近年來該方向主要的、具有代表性的研究進展。

2022年3月西安交通大學Hongliang Tian等人（劉海文研究組）提出了一種差分饋電的雙工濾波介質諧振天線[7]，結構如圖1所示。該設計將雙工器、濾波器、天線的功能融合在了一起，形成了該高度集成的多功能射頻模塊。介質集成波導腔作為DRA的激勵結構，由兩對差分激勵端口差分激勵，在高低兩個頻段內工作的模式呈現(xiàn)正交關系。然后在介質集成波導腔上蝕刻兩個十字縫隙以激勵DRA，DRA在高低頻段內工作的模式（TE210模式和TE120模式）也呈現(xiàn)出正交關系，從而實現(xiàn)高低頻段之間良好的隔離。測試結果表明，兩個10dB匹配頻帶分別為5.07-5.21GHz和5.72-5.87GHz，相對帶寬分別為2.7%和2.6%，實現(xiàn)的增益分別為4.6-4.9dBi和4.8-5.1dBi，兩頻帶間的隔離度超過75dB，并對共模信號具有良好的抑制。值得一提的是，該天線并非帶內全雙工天線，而是頻分雙工天線，同時具備濾波功能。

圖1.差分饋電的雙工濾波介質諧振天線結構圖

2022年8月，香港城市大學的Chen Yang等人（梁國華研究組），提出了一種基于疊加法的介質去耦方法[8]，可應用于多輸入多輸出天線系統(tǒng)。該研究組發(fā)現(xiàn)，在使用一個介質塊包圍多輸入多輸出天線的所有輻射器時，若該介質塊設計得合理，可以實現(xiàn)去耦。在介質塊邊緣存在介質與空氣的邊界，使得電磁波在介質塊的邊緣發(fā)生散射。對于任意兩個包圍在介質塊中的輻射器，直接耦合與通過散射路徑的耦合相互疊加。因為電磁波的散射路徑可以通過改變介質塊的形狀和尺寸來控制，所以任意兩個輻射器之間的耦合可以在某一個合理的介質塊形狀和尺寸時達到最小。

通過分析一個包圍在介質塊內部的基本電偶極子的電場分布，可以發(fā)現(xiàn)在介質塊的內部產生了幾個電場的波谷點，并且在將第二個輻射器放在其中一個電場波谷點時，可以獲得良好的隔離度。該研究組設計了一個雙端口都包圍在介質塊的天線來進行驗證，其結構如圖2(a)所示。通過優(yōu)化介質塊的形狀，該天線兩個端口的20dB隔離帶寬達到了12.6%，覆蓋了3.3-3.7GHz頻段。該研究組又進一步設計了四端口的介質塊去耦天線。采用的介質塊為方形，中間做了部分掏空處理，結構如圖2(b)所示。最終四個端口獲得了18%的20dB隔離帶寬，并且在3.3-3.7GHz的頻率范圍內具有超過21.5dB的隔離度。該研究組設計的雙端口和四端口的介質去耦天線極具應用到多輸入多輸出天線應用的競爭力與潛力。

圖2.介質去耦天線結構圖

2023年1月，華南理工大學的Yu-Zhong Liang等人（陳付昌研究組），利用模式消除法，設計了一種可應用于帶內全雙工系統(tǒng)的雙端口介質諧振天線[9]，結構如圖3所示。在此之前，大部分以往的設計都需要額外的空間或額外的去耦結構來提升端口間的隔離度，導致天線尺寸的增加和設計復雜程度的提升。而該天線結構十分簡單，僅僅由一塊介質，一對饋線，一對金屬銅軸組成。另外，以往的設計通常需要兩個介質塊，也就是需要兩個輻射體，而該天線的兩個端口共用了一個介質塊作為共同輻射體。

通過調節(jié)介質塊的尺寸和兩個銅軸的位置，可以在一個銅軸饋電時，同時激發(fā)準TM011和TE111兩種模式，這兩種模式在激勵端口處同相，在未激勵端口處反相，兩個模式疊加后在未激勵端口處產生一個弱場區(qū)，使得兩個端口獲得良好的隔離度。仿真與測試結果顯示，該天線具有11%的相對帶寬，帶內隔離度大于15dB，最大達到40dB。該天線的實測效率達到78%-95%。值得一提的是，該天線最大輻射方向偏離正天頂方向30度（可應用于室內Wi-Fi應用）。另外，該天線H面的交叉極化較大。

圖3.基于模式消除法的雙工介質諧振天線結構圖

2023年3月，英國薩里大學的Mohammad Abedian等人，設計了一種可應用于帶內全雙工系統(tǒng)的高隔離度毫米波雙極化介質諧振天線[10]，結構如圖4所示。通過將兩個相同的線極化諧振器垂直放置，可以獲得良好的隔離度。每個諧振器由一個介電常數(shù)為10的矩形介質塊，加載一個介電常數(shù)為5的薄介質塊得到，這樣可以拓展匹配帶寬。通過在兩個諧振器中間加載一個專門設計的吸收器，并在地平面上蝕刻幾條縫隙，可以進一步提高隔離度。測試結果顯示，所設計的天線在23.04-24.28GHz的工作頻帶內具有超過50dB的隔離度，兩個端口的最大增益分別為8.93dBi和8.09dBi。

圖4.可應用于帶內全雙工系統(tǒng)的毫米波雙極化介質諧振天線結構圖

2023年6月，中山大學的Chao Jun Ma等人（鄭少勇研究組），基于模式疊加法，完成了29GHz毫米波共輻射體、共極化帶內全雙工介質諧振天線的設計[11]，結構如圖4所示。當一個饋電縫隙饋電時，可以同時激發(fā)DRA中TM01d模和HEM21d模，這兩種模式疊加產生一種類似TE211的模式，另外一個饋電縫隙處于該模式的弱場區(qū)，所以無需其他額外的去耦結構和電路，就能獲得良好的去耦性能。經過驗證，該天線可獲得最大42dB隔離度和最大8.65dBi增益。該天線具有簡單的結構和可集成的特性，有望應用于毫米波帶內全雙工應用。

圖5.毫米波共極化帶內全雙工介質諧振天線結構圖

盡管雙工介質諧振天線的研究成果目前還比較稀缺，然而，基于該研究方向的重大意義與非凡魅力，相信在接下來的幾年里，該方向會獲得更多研究者的關注與投入，迎來蓬勃發(fā)展時期。

審核編輯：劉清