第五代移動(dòng)通信技術(shù)（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(qiáng)穩(wěn)定性的通信技術(shù)，已滲透到經(jīng)濟(jì)社會(huì)的各行業(yè)各領(lǐng)域，成為支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù)。目前，世界各國對(duì)5G乃至6G技術(shù)的研究正在如火如荼地開展之中。

然而，在無線通信技術(shù)急速發(fā)展的同時(shí)，無論是5G還是6G，都面臨著一個(gè)日益嚴(yán)重的問題：頻段的擁擠與頻譜資源的緊張。在移動(dòng)通信領(lǐng)域，頻譜資源是推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心資源，是承載無線業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)。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(guān)鍵技術(shù)。

帶內(nèi)全雙工（In-Band Full Duplex, IBFD）技術(shù)是一個(gè)極具潛力的突破方向。帶內(nèi)全雙工技術(shù)是指在同一頻段內(nèi)同時(shí)進(jìn)行信號(hào)的發(fā)射與接收的通信技術(shù)[1]。相比于以往的時(shí)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(shù)能有效緩解如今頻段擁擠、頻譜資源緊張的局面。

然而，在設(shè)計(jì)IBFD系統(tǒng)時(shí)存在一項(xiàng)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(dá)到100dB以上[2]。

IBFD系統(tǒng)的自干擾由三個(gè)階段產(chǎn)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(yīng)用于帶內(nèi)全雙工系統(tǒng)的具有高隔離度的天線設(shè)計(jì)是IBFD系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，具有重大的研究意義。因此，帶內(nèi)全雙工天線設(shè)計(jì)已成為近幾年以來的研究熱點(diǎn)，吸引著越來越多的研究者投入到這個(gè)方向上來。

雙工介質(zhì)諧振天線及其國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

雙工天線的實(shí)現(xiàn)方式具有多樣性。以往的雙工天線的文獻(xiàn)大多基于微帶天線，腔體天線，縫隙天線和貼片天線來實(shí)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(shí)，對(duì)于大部分常規(guī)天線來說，歐姆損耗就會(huì)變得尤其嚴(yán)重，天線的輻射性能也會(huì)隨之惡化。

近些年來，伴隨著介質(zhì)材料種類的增加以及加工工藝的顯著提高，介質(zhì)諧振天線這一新型天線憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，引起廣大研究人員的興趣與廣泛關(guān)注。如果采用介質(zhì)諧振器的方式來實(shí)現(xiàn)雙工天線，由于輻射單元不具備金屬結(jié)構(gòu)，只有介質(zhì)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(shí)現(xiàn)方式更高的輻射效率。

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

目前，該方向的研究處于相對(duì)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(jìn)展。

2022年3月西安交通大學(xué)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(zhì)諧振天線[7]，結(jié)構(gòu)如圖1所示。該設(shè)計(jì)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(zhì)集成波導(dǎo)腔作為DRA的激勵(lì)結(jié)構(gòu)，由兩對(duì)差分激勵(lì)端口差分激勵(lì)，在高低兩個(gè)頻段內(nèi)工作的模式呈現(xiàn)正交關(guān)系。然后在介質(zhì)集成波導(dǎo)腔上蝕刻兩個(gè)十字縫隙以激勵(lì)DRA，DRA在高低頻段內(nèi)工作的模式（TE210模式和TE120模式）也呈現(xiàn)出正交關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)高低頻段之間良好的隔離。測(cè)試結(jié)果表明，兩個(gè)10dB匹配頻帶分別為5.07-5.21GHz和5.72-5.87GHz，相對(duì)帶寬分別為2.7%和2.6%，實(shí)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(duì)共模信號(hào)具有良好的抑制。值得一提的是，該天線并非帶內(nèi)全雙工天線，而是頻分雙工天線，同時(shí)具備濾波功能。

圖1.差分饋電的雙工濾波介質(zhì)諧振天線結(jié)構(gòu)圖

2022年8月，香港城市大學(xué)的Chen Yang等人（梁國華研究組），提出了一種基于疊加法的介質(zhì)去耦方法[8]，可應(yīng)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(gè)介質(zhì)塊包圍多輸入多輸出天線的所有輻射器時(shí)，若該介質(zhì)塊設(shè)計(jì)得合理，可以實(shí)現(xiàn)去耦。在介質(zhì)塊邊緣存在介質(zhì)與空氣的邊界，使得電磁波在介質(zhì)塊的邊緣發(fā)生散射。對(duì)于任意兩個(gè)包圍在介質(zhì)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?yàn)殡姶挪ǖ纳⑸渎窂娇梢酝ㄟ^改變介質(zhì)塊的形狀和尺寸來控制，所以任意兩個(gè)輻射器之間的耦合可以在某一個(gè)合理的介質(zhì)塊形狀和尺寸時(shí)達(dá)到最小。

通過分析一個(gè)包圍在介質(zhì)塊內(nèi)部的基本電偶極子的電場(chǎng)分布，可以發(fā)現(xiàn)在介質(zhì)塊的內(nèi)部產(chǎn)生了幾個(gè)電場(chǎng)的波谷點(diǎn)，并且在將第二個(gè)輻射器放在其中一個(gè)電場(chǎng)波谷點(diǎn)時(shí)，可以獲得良好的隔離度。該研究組設(shè)計(jì)了一個(gè)雙端口都包圍在介質(zhì)塊的天線來進(jìn)行驗(yàn)證，其結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。通過優(yōu)化介質(zhì)塊的形狀，該天線兩個(gè)端口的20dB隔離帶寬達(dá)到了12.6%，覆蓋了3.3-3.7GHz頻段。該研究組又進(jìn)一步設(shè)計(jì)了四端口的介質(zhì)塊去耦天線。采用的介質(zhì)塊為方形，中間做了部分掏空處理，結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示。最終四個(gè)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(nèi)具有超過21.5dB的隔離度。該研究組設(shè)計(jì)的雙端口和四端口的介質(zhì)去耦天線極具應(yīng)用到多輸入多輸出天線應(yīng)用的競爭力與潛力。

圖2.介質(zhì)去耦天線結(jié)構(gòu)圖

2023年1月，華南理工大學(xué)的Yu-Zhong Liang等人（陳付昌研究組），利用模式消除法，設(shè)計(jì)了一種可應(yīng)用于帶內(nèi)全雙工系統(tǒng)的雙端口介質(zhì)諧振天線[9]，結(jié)構(gòu)如圖3所示。在此之前，大部分以往的設(shè)計(jì)都需要額外的空間或額外的去耦結(jié)構(gòu)來提升端口間的隔離度，導(dǎo)致天線尺寸的增加和設(shè)計(jì)復(fù)雜程度的提升。而該天線結(jié)構(gòu)十分簡單，僅僅由一塊介質(zhì)，一對(duì)饋線，一對(duì)金屬銅軸組成。另外，以往的設(shè)計(jì)通常需要兩個(gè)介質(zhì)塊，也就是需要兩個(gè)輻射體，而該天線的兩個(gè)端口共用了一個(gè)介質(zhì)塊作為共同輻射體。

通過調(diào)節(jié)介質(zhì)塊的尺寸和兩個(gè)銅軸的位置，可以在一個(gè)銅軸饋電時(shí)，同時(shí)激發(fā)準(zhǔn)TM011和TE111兩種模式，這兩種模式在激勵(lì)端口處同相，在未激勵(lì)端口處反相，兩個(gè)模式疊加后在未激勵(lì)端口處產(chǎn)生一個(gè)弱場(chǎng)區(qū)，使得兩個(gè)端口獲得良好的隔離度。仿真與測(cè)試結(jié)果顯示，該天線具有11%的相對(duì)帶寬，帶內(nèi)隔離度大于15dB，最大達(dá)到40dB。該天線的實(shí)測(cè)效率達(dá)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(yīng)用于室內(nèi)Wi-Fi應(yīng)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(zhì)諧振天線結(jié)構(gòu)圖

2023年3月，英國薩里大學(xué)的Mohammad Abedian等人，設(shè)計(jì)了一種可應(yīng)用于帶內(nèi)全雙工系統(tǒng)的高隔離度毫米波雙極化介質(zhì)諧振天線[10]，結(jié)構(gòu)如圖4所示。通過將兩個(gè)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(gè)諧振器由一個(gè)介電常數(shù)為10的矩形介質(zhì)塊，加載一個(gè)介電常數(shù)為5的薄介質(zhì)塊得到，這樣可以拓展匹配帶寬。通過在兩個(gè)諧振器中間加載一個(gè)專門設(shè)計(jì)的吸收器，并在地平面上蝕刻幾條縫隙，可以進(jìn)一步提高隔離度。測(cè)試結(jié)果顯示，所設(shè)計(jì)的天線在23.04-24.28GHz的工作頻帶內(nèi)具有超過50dB的隔離度，兩個(gè)端口的最大增益分別為8.93dBi和8.09dBi。

圖4.可應(yīng)用于帶內(nèi)全雙工系統(tǒng)的毫米波雙極化介質(zhì)諧振天線結(jié)構(gòu)圖

2023年6月，中山大學(xué)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(nèi)全雙工介質(zhì)諧振天線的設(shè)計(jì)[11]，結(jié)構(gòu)如圖4所示。當(dāng)一個(gè)饋電縫隙饋電時(shí)，可以同時(shí)激發(fā)DRA中TM01d模和HEM21d模，這兩種模式疊加產(chǎn)生一種類似TE211的模式，另外一個(gè)饋電縫隙處于該模式的弱場(chǎng)區(qū)，所以無需其他額外的去耦結(jié)構(gòu)和電路，就能獲得良好的去耦性能。經(jīng)過驗(yàn)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(jié)構(gòu)和可集成的特性，有望應(yīng)用于毫米波帶內(nèi)全雙工應(yīng)用。

圖5.毫米波共極化帶內(nèi)全雙工介質(zhì)諧振天線結(jié)構(gòu)圖

盡管雙工介質(zhì)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(huì)獲得更多研究者的關(guān)注與投入，迎來蓬勃發(fā)展時(shí)期。

審核編輯：劉清