用于发射器到接收器隔离的缩进天线阵列的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年1月20日提交的美国临时专利申请序列号62/280,982的优先权和权益，该美国临时专利申请通过引用被整体结合于本文。

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背景技术：

1.技术领域

本公开的技术总体上涉及全双工天线阵列，并且更具体地涉及利用缩进来提高发射到接收隔离度的全双工天线阵列。

2.背景讨论

在众多为了增加谱效率同时简化系统硬件架构和联网层控制协议的应用中全双工无线电装置是有用的，因为全双工无线电装置能够同时以相同的频率“通话和收听”。全双工无线电装置的额外的好处是，在全双工rf前端不再需要常规频率双工系统中很重要的固定双工器滤波器。因此，全双工无线电装置的使用释放了更多潜力，从而无线电装置的工作频率和带宽是可选择的，得到完全软件可重新配置的无线电系统，例如，用于最有效率地利用谱的认知无线电。

为了使全双工无线电装置正常工作，必须充分地抑制发射器到接收器干扰，以避免泄漏到接收器的发射器信号和噪声功率使接收器饱和并且造成失真。存在通过天线隔离降低无线电装置自干扰的常规方式。对于空间敏感的应用(诸如，移动终端中的无线电装置)而言，实现t/r隔离的方案包括利用方向图(pattern)分集，例如，将接收天线放置到发射天线阵列方向图的空值(null)处，还包括利用正交模转换器(omt)或圆极化天线的极化分集，以及利用环行器的非互易性。空间分集方案不能被应用于定向无线电装置，因为在定向无线电装置中要求发射天线的方向图与接收天线的方向图等同。极化分集方案还限制了波的发射和接收中的极化选择。环行器的非互易性方案只能提供有限的隔离度，并且对于来自所发射的功率的天线反射的泄露是无效的。

因此，存在对于具有提高的发射器-接收器隔离度的全双工无线电装置需求。本公开满足了该需求并且克服了先前隔离技术的缺陷。

技术实现要素：

本公开的技术提供了一种能够直接应用于被称为全双工无线电装置的新的种类的无线电系统的实现高天线隔离度的新技术，所述全双工无线电装置在同一频率上同时发射和接收信号和信息。所述技术将提供一种在允许该阵列用于波束形成或增益增强的同时增强天线隔离度的实际并且简单的方式。

在本公开中，天线阵列被缩进以增加发射器到接收器隔离度。缩进涉及使所述n元件天线阵列从其对准线倾斜。在至少一个实施例中，倾斜具有恒定斜率，该恒定斜率被选择为在n元件天线阵列的每一相邻元件对之间建立线性渐进相位延迟。在每一发射路径和发射器环行器之间添加至少一条传输线，同时类似地在每一接收器环行器和每一接收路径之间添加至少一条传输线。响应于这些变化，传输线距离被改变，使得每一传输线在n元件天线阵列的每一相邻元件对之间具有线性渐进相位差，用于在同一频率上同时发生的全双工发射及接收期间增加隔离度。

在本说明书的下述部分中将披露本文描述的技术的其他方面，其中，具体实施方式是出于充分公开本技术的优选实施例的目的，而非对本技术加以限制。

附图说明

通过参考下述仅出于说明目的的附图，将更加充分地理解本文描述的技术：

图1是根据本公开的实施例的具有高隔离度的缩进天线阵列的框图。

图2是与单元件天线的泄露功率相比较的根据本公开的缩进阵列的泄露功率的曲线图。

图3是根据本公开的实施例的4元件缩进准八木天线阵列原型的图像呈现。

图4是与单环形器的测得隔离度相比较的根据本公开的实施例的缩进准八木天线阵列的测得隔离度的曲线图。

图5是根据本公开的实施例的用于高隔离度的具有缩进的堆叠发射/接收阵列的示意图。

图6是两个标准4元件准八木阵列与根据本公开的实施例的缩进准八木阵列之间的模拟的天线隔离度的曲线图。

具体实施方式

公开了一种天线隔离度增强技术，该技术基于打破发射/接收(t/r)信号路径与发射器到接收器泄露路径之间的空间对称性。实体上，这通过将根据宽边(broadside)对准的常规配置的阵列中的天线元件选择性地缩进(优选地趋向特定的倾斜关系)而完成。所公开的缩进天线阵列中的t/r路径的不同相位延迟特性提高环形器提供的t/r隔离度，同时抑制由于天线反射和天线元件之间的互耦而导致的泄露。在不限制天线极化和辐射方向图的选择的情况下，这种配置中的泄露功率被抑制。

所公开的缩进阵列背后的方案是，当天线元件被偏移离开宽边对准时，发射或接收的波单程传播通过缩进，而天线反射或环行器泄露则必须往返通过缩进(em波从一端传播至另一端，如果其被反射，那么其将以往返相位和延迟返回)，这允许使用无源延迟线和功率合并器将这两个机制分离。

图1图示具有环行器的单站(monostatic)设置的缩进阵列的示例实施例10。n元件天线阵列12、14(等)从其宽边倾斜16以诸如用恒定斜率建立缩进，该恒定斜率被优选地选择以在每一相邻元件对12，14之间建立线性渐进相位延迟应当认识到的是，为了说明的简洁，该图绘出两个天线，但是所公开的技术能够扩展至任何尺寸的天线阵列。在至少一个实施例中，这种天线阵列是具有相关馈电网络的准八木偶极子天线。天线耦接至环行器18、20上的端口。在每一对之间具有线性渐进相位差的传输线24、26、28、30被添加在从发射器输入22到环行器的发射路径的每一者之间，并且被添加在沿每一接收路径的环行器到接收器输出32之间。为了使发射天线方向图和接收天线方向图都朝向宽边，可以选择相位延迟差以消除宽边辐射中天线元件之间的相位差。

与单通道天线阵列相比，根据下述因子降低了泄露功率，

图2示出就而言，当绘出的天线数量(n)为n＝8时的t/r泄露功率和天线阵列回波损耗降低。可以推断的是，随着n的额外增加，泄露功率将进一步降低，尽管本公开对于任何满足n>1的值而言均有效。此外，对于小数量的天线元件而言，可以选择在离散sinc函数的第一零点(null)处工作，这在最低工作频率处对应于n△φ＝λ/2。逐渐减弱天线孔径之上的发射功率可以有助于以与能够抑制相控阵中的旁瓣类似的方式实现宽带和更深的t/r隔离度。应当注意的是，在响应中看到n-1个节点，因此就n＝8而言，在响应中存在7个节点，而对于n＝4而言，在响应曲线中存在3个节点。

为了证实本公开的技术，图1的电路被配置为具有4元件缩进准八木偶极子天线阵列，并且相关馈电网是以3.35ghz的中心频率设计和制造的。准八木偶极子天线被配置为具有单微带馈电，其中微带到共面带(cps)过渡充当平衡-不平衡变换器(balun)。

图3图示4元件缩进天线阵列的示例实施例50，该4元件被示为诸如被制造在rogers4350衬底上的元件52a、52b、52c、52d。通过示例而非限制的方式，当缝隙被用于实现插入(dropin)部件的平齐安装时，电路被示为制造在两个单独的印刷电路板(pcb)上以简化制造。在这个实施例中使用四个环行器54a、54b、54c、54d，每一环形器放置在发射路径、接收路径和准八木天线之间。

现成的环行器的规格具有-20db的隔离度、0.25db的插入损耗以及从3.3ghz到3.4ghz的1.25的vswr。在制造之后，准八木偶极子元件的回波损耗和互耦被测量，并且两者较单天线均显著降低。

图4绘出从3.3ghz到3.4ghz的平均隔离度已经从单环行器提供的15db的平均值增加到了30db。

图5图示用发射器阵列72和接收阵列74示出的堆叠发射/接收阵列的示例实施例70。在这个图中可以看出，可以扩展单站设置以开发具有高隔离度的发射/接收(t/r)天线阵列。在这种情况下，发射器和接收器可以被放置在不同的阵列中。发射器/接收器隔离度的限制由两个阵列之间的互耦确定。不难证明，缩进阵列对于图中示出的堆叠发射/接收阵列之间的互耦建立了类似的泄漏抑制因子。对于每一阵列板72、74分别看到截断接地平面(truncatedgroundplane)76、78。

图6图示模拟结果，如在这个曲线图中所看到的，其示出在3.3ghz中心频率处降低天线互耦实现了高达15db的改善。

根据本文的描述，应当认识到的是本公开包含多个实施例，其包括但不限于下面的：

1.一种缩进发射器和接收器天线设备，包括：(a)n元件天线阵列，其中，n大于1；(b)所述n元件天线阵列的缩进，用于通过所述缩进建立所述n元件天线阵列从其宽边的倾斜来增加发射器到接收器隔离度；(c)其中，所述倾斜具有被配置为在所述n元件天线阵列的每一相邻元件对之间建立线性渐进相位延迟的恒定斜率；以及(d)耦接至所述n元件天线阵列中的每一天线的环行器；(e)连接至每一环行器的发射路径和接收路径；(f)其中，所述发射路径包括通向每一环行器的至少一条传输线；(g)其中，所述接收路径包括通向每一环行器的至少一条传输线；以及(h)所述n元件天线阵列的相邻元件对的所述传输线之间的线性渐进相位差，该线性渐进相位差被配置为在全双工发射和接收期间增加隔离度。

2.根据任何前述实施例所述的设备，其中，响应于消除用于宽边辐射的所述天线阵列的元件之间的相位差，所述缩进发射器和接收器天线设备被配置用于保持发射天线方向图和接收天线方向图两者均朝向宽边。

3.根据任何前述实施例所述的设备，其中，通过选择相位延迟差来执行消除相位差。

4.根据任何前述实施例所述的设备，其中，所述缩进发射器和接收器天线设备打破发射和接收信号路径与发射器到接收器泄露路径之间的空间对称性。

5.根据任何前述实施例所述的设备，其中，所述缩进发射器和接收器天线设备的天线元件被偏移离开与宽边的对准，其中，发射或接收的波单程传播通过缩进一次，而天线反射或环行器泄露往返传播通过缩进，这允许使用无源延迟线和功率合并器分离信号分量。

6.根据任何前述实施例所述的设备，其中，所述缩进发射器和接收器天线设备中的发射路径和接收路径的不同相位延迟特性与使用环行器相比提高发射器-接收器隔离度，同时抑制由于天线反射和天线元件之间的互耦而导致的泄露功率。

7.根据任何前述实施例所述的设备，其中，所述缩进发射器和接收器天线设备被配置为在不限制天线极化和辐射方向图的选择的情况下抑制泄露功率。

8.根据任何前述实施例所述的设备，其中，所述缩进发射器和接收器天线设备包括具有相关馈电网络的多元件缩进准八木偶极子天线阵列。

9.根据任何前述实施例所述的设备，其中，对所述准八木偶极子天线馈电的是单微带馈电，其中，天线衬底上的微带到共面带(cps)过渡充当平衡-不平衡变换器。

10.根据任何前述实施例所述的设备，还包括所述缩进发射器和接收器天线设备的衬底背面上的截断接地平面，以建立实现端射(endfire)辐射方向图的反射器。

11.一种用于隔离发射器和接收器的缩进设备，包括：(a)n元件天线阵列；(b)与所述n元件天线阵列的每一天线相关的环行器；(c)其中，接收器耦接至所述n元件天线阵列中的相邻天线上的每一环行器上的端口；(d)其中，发射器耦接至所述n元件天线阵列中的相邻天线的每一环行器上的另一端口；(e)其中，所述n元件天线阵列被配置为具有从其宽边的倾斜，以实现所述天线阵列的缩进以增加发射器到接收器隔离度；(f)其中，所述倾斜具有被配置为在所述n元件天线阵列的每一相邻元件对之间建立线性渐进相位延迟的恒定斜率；以及(g)耦接于每一发射路径和发射器环行器之间的至少一条传输线，以及耦接于每一接收器环行器和每一接收路径之间的至少一条传输线；(h)其中所述缩进发射器和接收器天线设备的天线元件被偏移离开与宽边的对准，其中发射或接收的波单程传播通过缩进一次，而天线反射或环行器泄露往返传播通过缩进，因此允许使用无源延迟线和功率合并器分离信号分量，以在所述n元件天线阵列的每一相邻元件对之间提供线性渐进相位差，以在全双工发射和接收期间实现高度隔离。

12.一种隔离发射器和接收器的方法，包括以下步骤：(a)缩进天线阵列，用于增加发射器到接收器隔离度；(b)将所述n元件天线阵列从其宽边倾斜以实现所述缩进；(c)其中，所述倾斜具有被配置为在所述n元件天线阵列的每一相邻元件对之间建立线性渐进相位延迟的恒定斜率；以及(d)在每一发射路径和发射器环行器之间耦接至少一条传输线，并且在每一接收器环行器和每一接收路径之间耦接至少一条传输线；(e)其中，每一条所述传输线在所述n元件天线阵列的每一相邻元件对之间具有线性渐进相位差；以及(f)从而在不限制天线极化和辐射方向图的选择的情况下抑制泄露功率，同时为在相同频率处同时发生的全双工操作增加发射器-接收器隔离度。

13.根据任何前述实施例所述的方法，还包括响应于消除用于宽边辐射的所述天线阵列的元件之间的相位差，保持发射天线方向图和接收天线方向图两者均朝向宽边。

14.根据任何前述实施例所述的方法，其中，响应于选择影响所述倾斜的量的相位延迟差，执行相位差的所述消除。

15.根据任何前述实施例所述的方法，其中，所述缩进天线阵列打破发射和接收信号路径与发射器到接收器泄露路径之间的空间对称性。

16.根据任何前述实施例所述的方法，其中，所述缩进天线阵列的天线元件被偏移离开与宽边的对准，使得发射和接收的波单程传播通过缩进，而天线反射或环行器泄露则往返传播通过缩进，这允许使用无源延迟线和功率合并器分离信号分量。

17.根据任何前述实施例所述的方法，其中，所述缩进天线阵列中的发射路径和接收路径的不同相位延迟特性与使用环行器相比提高发射器-接收器隔离度，同时抑制由于天线反射和天线元件之间的互耦而导致的泄露功率。

18.根据任何前述实施例所述的方法，其中，所述n元件天线阵列包括在所述方法中配置的与相关馈电网络耦接的多元件缩进准八木偶极子天线阵列。

19.根据任何前述实施例所述的方法，其中，对所述准八木偶极子天线馈电的是单微带馈电，其中，天线衬底上的微带到共面带(cps)过渡充当平衡-不平衡变换器。

20.根据任何前述实施例所述的方法，还包括截断所述n元件天线阵列的衬底背面上的接地平面以建立反射器，该反射器充当实现端射辐射方向图的反射器。

尽管本文的描述包含很多细节，但是不应将这些细节视为限制本公开的范围，而是仅应将其视为提供了对目前优选的实施例中的一些的说明。因此，应当认识到的是，本公开的范围完全包含可以变得对于本领域技术人员而言显而易见的其他实施例。

在权利要求中，除非明确地做出了这样的陈述，以单数形式提及元件并非意味着“一个并且只有一个”，而是指“一个或多个”。对于本领域技术人员而言已知的所公开的实施例的要素的所有结构及功能等价物均通过引用明确并入本文，并且旨在被本权利要求所包含。此外，不论是否在权利要求中明确列举了元件、部件或方法步骤，本公开中没有任何元件、部件或方法步骤旨在奉献给公众。除非要素是使用短语“用于……的构件”明确记载的，否则不应当将本文的任何权利要求要素视为“构件加功能”要素。除非要素是使用短语“用于……的步骤”明确记载的，否则不应将本文的任何权利要求要素视为“步骤加功能”要素。