基于介质谐振器的双工天线综述

第五代移动通信技术（5th Generation Mobile Communication Technology，5G）已在我国大规模商用，这种大容量、高速度、强稳定性的通信技术，已渗透到经济社会的各行业各领域，成为支撑经济社会数字化、网络化、智能化转型的关键技术。目前，世界各国对5G乃至6G技术的研究正在如火如荼地开展之中。

然而，在无线通信技术急速发展的同时，无论是5G还是6G，都面临着一个日益严重的问题：频段的拥挤与频谱资源的紧张。在移动通信领域，频谱资源是推动产业发展的核心资源，是承载无线业务的基础。要解决目前无线通信面临的频段拥挤与频谱资源紧张的难题，需要研究新的解决方案或者突破关键技术。

带内全双工（In-Band Full Duplex, IBFD）技术是一个极具潜力的突破方向。带内全双工技术是指在同一频段内同时进行信号的发射与接收的通信技术[1]。相比于以往的时分双工（Time Division Duplex, TDD）和频分双工（Frequency Division Duplex, FDD），IBFD理论上可以将频谱利用效率提高一倍，从而提升通信的数据容量和传输速率。因此，该技术能有效缓解如今频段拥挤、频谱资源紧张的局面。

然而，在设计IBFD系统时存在一项巨大的挑战：抑制收发端口之间的干扰。在通常的IBFD系统中，发射端与接收端之间的隔离度要求极高，达到100dB以上[2]。

IBFD系统的自干扰由三个阶段产生：天线端，模拟端和数字端。作为IBFD系统的前端，天线隔离度的高低直接影响该系统自干扰水平。增加天线端的隔离度，可以为后面模拟、数字阶段的干扰消除减轻压力。由此可见，可应用于带内全双工系统的具有高隔离度的天线设计是IBFD系统设计的关键环节，具有重大的研究意义。因此，带内全双工天线设计已成为近几年以来的研究热点，吸引着越来越多的研究者投入到这个方向上来。

双工介质谐振天线及其国内外研究现状

双工天线的实现方式具有多样性。以往的双工天线的文献大多基于微带天线，腔体天线，缝隙天线和贴片天线来实现双工[3]–[6]。然而，随着频率的升高，尤其是上升到毫米波频段时，对于大部分常规天线来说，欧姆损耗就会变得尤其严重，天线的辐射性能也会随之恶化。

近些年来，伴随着介质材料种类的增加以及加工工艺的显著提高，介质谐振天线这一新型天线凭借其独特的优势，引起广大研究人员的兴趣与广泛关注。如果采用介质谐振器的方式来实现双工天线，由于辐射单元不具备金属结构，只有介质块向外辐射能量，几乎不存在表面波损耗与欧姆损耗,所以具有比使用传统天线实现方式更高的辐射效率。

除了低损耗，基于介质谐振器的双工天线还具有诸多介质谐振天线的优点：尺寸小、易集成、易激励、宽带等。由此可见，基于介质谐振器的双工天线具有极大的研究价值。

目前，该方向的研究处于相对空白的状态，可参考的研究成果较少。接下来将介绍近年来该方向主要的、具有代表性的研究进展。

2022年3月西安交通大学Hongliang Tian等人（刘海文研究组）提出了一种差分馈电的双工滤波介质谐振天线[7]，结构如图1所示。该设计将双工器、滤波器、天线的功能融合在了一起，形成了该高度集成的多功能射频模块。介质集成波导腔作为DRA的激励结构，由两对差分激励端口差分激励，在高低两个频段内工作的模式呈现正交关系。然后在介质集成波导腔上蚀刻两个十字缝隙以激励DRA，DRA在高低频段内工作的模式（TE210模式和TE120模式）也呈现出正交关系，从而实现高低频段之间良好的隔离。测试结果表明，两个10dB匹配频带分别为5.07-5.21GHz和5.72-5.87GHz，相对带宽分别为2.7%和2.6%，实现的增益分别为4.6-4.9dBi和4.8-5.1dBi，两频带间的隔离度超过75dB，并对共模信号具有良好的抑制。值得一提的是，该天线并非带内全双工天线，而是频分双工天线，同时具备滤波功能。

图1.差分馈电的双工滤波介质谐振天线结构图

2022年8月，香港城市大学的Chen Yang等人（梁国华研究组），提出了一种基于叠加法的介质去耦方法[8]，可应用于多输入多输出天线系统。该研究组发现，在使用一个介质块包围多输入多输出天线的所有辐射器时，若该介质块设计得合理，可以实现去耦。在介质块边缘存在介质与空气的边界，使得电磁波在介质块的边缘发生散射。对于任意两个包围在介质块中的辐射器，直接耦合与通过散射路径的耦合相互叠加。因为电磁波的散射路径可以通过改变介质块的形状和尺寸来控制，所以任意两个辐射器之间的耦合可以在某一个合理的介质块形状和尺寸时达到最小。

通过分析一个包围在介质块内部的基本电偶极子的电场分布，可以发现在介质块的内部产生了几个电场的波谷点，并且在将第二个辐射器放在其中一个电场波谷点时，可以获得良好的隔离度。该研究组设计了一个双端口都包围在介质块的天线来进行验证，其结构如图2(a)所示。通过优化介质块的形状，该天线两个端口的20dB隔离带宽达到了12.6%，覆盖了3.3-3.7GHz频段。该研究组又进一步设计了四端口的介质块去耦天线。采用的介质块为方形，中间做了部分掏空处理，结构如图2(b)所示。最终四个端口获得了18%的20dB隔离带宽，并且在3.3-3.7GHz的频率范围内具有超过21.5dB的隔离度。该研究组设计的双端口和四端口的介质去耦天线极具应用到多输入多输出天线应用的竞争力与潜力。

图2.介质去耦天线结构图

2023年1月，华南理工大学的Yu-Zhong Liang等人（陈付昌研究组），利用模式消除法，设计了一种可应用于带内全双工系统的双端口介质谐振天线[9]，结构如图3所示。在此之前，大部分以往的设计都需要额外的空间或额外的去耦结构来提升端口间的隔离度，导致天线尺寸的增加和设计复杂程度的提升。而该天线结构十分简单，仅仅由一块介质，一对馈线，一对金属铜轴组成。另外，以往的设计通常需要两个介质块，也就是需要两个辐射体，而该天线的两个端口共用了一个介质块作为共同辐射体。

通过调节介质块的尺寸和两个铜轴的位置，可以在一个铜轴馈电时，同时激发准TM011和TE111两种模式，这两种模式在激励端口处同相，在未激励端口处反相，两个模式叠加后在未激励端口处产生一个弱场区，使得两个端口获得良好的隔离度。仿真与测试结果显示，该天线具有11%的相对带宽，带内隔离度大于15dB，最大达到40dB。该天线的实测效率达到78%-95%。值得一提的是，该天线最大辐射方向偏离正天顶方向30度（可应用于室内Wi-Fi应用）。另外，该天线H面的交叉极化较大。

图3.基于模式消除法的双工介质谐振天线结构图

2023年3月，英国萨里大学的Mohammad Abedian等人，设计了一种可应用于带内全双工系统的高隔离度毫米波双极化介质谐振天线[10]，结构如图4所示。通过将两个相同的线极化谐振器垂直放置，可以获得良好的隔离度。每个谐振器由一个介电常数为10的矩形介质块，加载一个介电常数为5的薄介质块得到，这样可以拓展匹配带宽。通过在两个谐振器中间加载一个专门设计的吸收器，并在地平面上蚀刻几条缝隙，可以进一步提高隔离度。测试结果显示，所设计的天线在23.04-24.28GHz的工作频带内具有超过50dB的隔离度，两个端口的最大增益分别为8.93dBi和8.09dBi。

图4.可应用于带内全双工系统的毫米波双极化介质谐振天线结构图

2023年6月，中山大学的Chao Jun Ma等人（郑少勇研究组），基于模式叠加法，完成了29GHz毫米波共辐射体、共极化带内全双工介质谐振天线的设计[11]，结构如图4所示。当一个馈电缝隙馈电时，可以同时激发DRA中TM01d模和HEM21d模，这两种模式叠加产生一种类似TE211的模式，另外一个馈电缝隙处于该模式的弱场区，所以无需其他额外的去耦结构和电路，就能获得良好的去耦性能。经过验证，该天线可获得最大42dB隔离度和最大8.65dBi增益。该天线具有简单的结构和可集成的特性，有望应用于毫米波带内全双工应用。

图5.毫米波共极化带内全双工介质谐振天线结构图

尽管双工介质谐振天线的研究成果目前还比较稀缺，然而，基于该研究方向的重大意义与非凡魅力，相信在接下来的几年里，该方向会获得更多研究者的关注与投入，迎来蓬勃发展时期。

审核编辑：刘清