带内全双工互补天线的制作方法

背景技术：

下一代无线(例如，蜂窝)通信技术标准改进了上一代的数据吞吐量。预计所谓的第五代(5g)无线通信系统和网络将显著地(例如，约两倍)增加前一代的数据吞吐量。

现有的无线通信系统和网络(包括当前各代)采用双工。换言之，频分双工(fdd)或时分双工(tdd)已被用于单独的发射和接收。在fdd和tdd中，由于分别单独地使用频率和时间资源，发射信号不会干扰接收信号。因此，与带内全双工系统(ibfd)相比，在当前双工系统中使用两倍的频率和/或时间量。通过同时在同一频带内同时发射和接收，似乎能够使数据吞吐量翻倍。

带内全双工(ibfd)操作已经成为增加无线通信系统和网络的数据吞吐量的有吸引力的解决方案。利用ibfd，无线装置(即，节点)在相同或共同的频带中同时发射和接收。然而，ibfd操作的最大实际障碍是存在自干扰(即，由ibfd节点自己的传输对其期望的接收造成的干扰)。

几种传统的天线设计已经解决了ibfd操作的自干扰障碍。例如，一种传统方法被称为回波消除。在此方法中，单个天线既用于发射又用于接收。该天线与环行器连接。该环行器将三个不同的元件互连：天线、发射(tx)射频(rf)子系统和接收(rx)rf子系统。

当此安排完成ibfd操作时，由于环行器中的tx和rx端口之间的相对低的隔离度等级(例如，20db)，从txrf子系统到rxrf子系统存在信号泄漏。除了tx信号泄漏之外，由于天线端口处的阻抗失配，则tx信号被反射。这种反射可能在rxrf子系统中支配期望的rx信号。此外，随着无线通信组件的发展，环行器由于其磁体而相对较大且较重。

另一种传统方法使用两个分离的天线。天线对具有较高的隔离度等级(例如，40db)，且具有相对较大的间隔，并且各天线专用于信号发射(tx)或接收(rx)。虽然这种双天线方法消除了重且大的环行器，但它引入了新的问题。这种双天线方法的主要问题是空间和复杂性。两个分离并且隔离的天线需要更多的空间，因为有两倍的天线，并且这些天线必须在物理上彼此隔开足够的距离以减少其间的干扰。

附图说明

图1示出根据本文描述的实施方式的移动装置的示例场景。

图2a-2c示出根据本文描述的实施方式的互补天线对的示例。

图3a-b示出根据本文描述的实施方式的互补天线对的示例。

图4a-b示出根据本文描述的实施方式的互补天线对的示例。

图5a-5b示出根据本文描述的实施方式的互补天线对的示例的一部分。

具体实施方式部分以附图为参照。在附图中，附图标记的最左边的数字表示附图标记首次出现的图。在所有附图中，使用相同的附图标记指代相似的特征和部件。

具体实施方式

本文描述的是便于带内全双工无线通信操作的技术。更具体地，所述技术使用天线互补对进行信号发射和接收，所述天线互补对以新的方式布置，从而既紧凑(相对于传统方法)又提供极高(例如，60db或更高)的隔离度。所描述的技术的减小的尺寸和极高的隔离度对于实施无线(例如，蜂窝)通信标准的下一代(例如，5g)可能是有吸引力的。

本文描述的技术具有位于共置的发射(tx)和接收(rx)天线，并且在tx射频(rf)子系统和rxrf子系统之间实现极高(例如，60db或更高)的隔离度等级。与传统的回波消除方法相反，本文描述的技术不使用环行器。

示例无线通信场景

图1示出如本文所述的利用带内全双工(ibfd)互补天线的实施的示例无线通信场景100。如图所示，实例场景100包括作为由无线塔160表示的无线通信系统或网络的一部分的移动装置110(诸如蜂窝电话、智能电话、平板电脑等)。尽管示例场景100在移动装置110中示出ibfd，但ibfd天线解决方案也可以在无线塔160或无线通信网络上实施。

方框112包含移动装置110的无线通信系统的相关内部操作部件。为了便于说明，方框112未示出移动装置110的全部部件及其之间的全部连接。

所描绘的部件包括接收子系统和发射子系统。接收子系统包括接收电路120、低噪声放大器(lna)122以及接收天线124。接收天线124示出为接收来自无线塔160的输入信号126。发射子系统包括发射电路130、功率放大器(pa)132以及发射天线134。发射天线134示出为向无线塔160发射输出信号136。

分离且独立地进行考虑，各发射和接收子系统(及其部件)利用已知技术完成其功能。例如，接收电路120采用已知机制(例如，硬件、电路、固件、软件(与硬件协作)等)来完成对输入无线信号的接收。lna122是一种用于放大非常微弱的信号(例如，由天线捕获的信号)的已知的电子放大器。

可以看到，每个天线只是其中一个子系统的一部分。换言之，各天线专用于发射或接收，但不是发射和接收两者。此外，这些子系统设计成以带内全双工模式工作。换言之，各子系统配置为在共同频带内与其它子系统同时工作(例如，发射或接收)。因此，接收子系统易于与发射子系统自干扰。当然，如本文所述，自干扰改善是带内全双工(ibfd)互补天线的一个或多个实施方式的特征之一。

在方框112中，自干扰消除(sic)电路140也示出为移动装置110的另一内部部件。sic电路140采用已知机制(例如，硬件、电路、固件、软件(与硬件协作)等)来完成由移动装置110自己的传输与源自远程节点(例如，蜂窝塔160)的关注信号之间的大功率差异引起的自干扰的消除。大的功率差异仅仅是因为与关注信号相比，自干扰信号必须行进更短的距离。作为功率差异较大的结果，由于模数转换的有限分辨率，特别是在数字基带中，关注信号被自干扰掩盖。

如图所示，虚线框150包围接收天线124和发射天线134。这些天线共同表示ibfd互补天线，这是本文描述的主题技术的示例。当称为互补天线150而不是分别称为单独的发射和接收天线(134，124)时，不认为互补天线150是发射子系统或接收子系统任一者的一部分。

如图所示，互补天线150的各天线示出为相对于彼此以正交方式布置。此描述主要指出了天线的电气布置，而不是它们的物理布置。各天线相对于彼此在正交(即，垂直)方向上线性地辐射。

在某些情况下，将天线描述为以基本上彼此正交的线性极化进行辐射。这里，当应用于正交(或类似)时，术语“基本上”允许从真正或完全的正交(即，垂直)加/减1度。类似地，当应用于正交(或类似)时，术语“接近真正”允许从真正或完全的正交加/减半度。

如图1所示，互补天线150包括两个线性极化天线：分离的发射天线和接收天线(134，124)。一般而言，天线是将射频电流转换为随后辐射进入自由空间的电磁波的变换器。电场决定无线电波的极化或方向。一般而言，大多数天线辐射线性或圆极化。

互补天线150的天线(134，124)形成双正交线极化天线。这意味着，相对于彼此或相对于外部参考，天线中的一个竖直极化并且另一个水平极化。

图2a-c示出根据本文描述的技术的互补天线的几个示例。各示例都包括一对共置的互补的但不同类型的天线。即，该对天线包括放置在一起的偶极以及缝隙天线元件。互补天线对提供正交天线极化，但在共置天线结构中。

图2a示出天线的互补偶极-缝隙对200。由此，中心馈电偶极天线210与全尺寸和半波长的平面缝隙天线220共置。如图所示，偶极天线210位于缝隙天线220的缝隙222内，并且偶极馈源212也位于缝隙内。

一般而言，缝隙天线由其中具有孔或缝隙的金属表面(例如，平板)组成。由于这是半波长缝隙天线，所以其馈源(未示出)位于缝隙222的中心。

一般而言，偶极天线包括两个相同的导电元件，例如金属丝或金属棒，其通常是两侧对称的。来自发射机的驱动电压施加于(或者用于接收天线，接收机接收输出信号)天线的两半之间。通常，到发射机或接收机的馈线的每一侧都与导体中的一个连接。这与单极天线形成对比，单极天线由单个杆或导体组成，馈线的一侧与其连接，另一侧与某种类型的地连接。

图2b示出与中心馈电偶极天线240配对的半尺寸缝隙天线250(如图2a所示)。由此，中心馈电偶极天线240与半尺寸和四分之一波长平面缝隙天线250共置。如图所示，偶极天线240至少部分地位于缝隙天线250的缝隙252内，并且偶极馈源242也至少部分地位于缝隙内。要注意的是，偶极天线的至少一部分延伸至缝隙外。

图2c示出与套筒偶极天线270组合的半尺寸缝隙天线280。由此，端馈套筒偶极天线270与半尺寸和四分之一波长平面缝隙天线280共置。如图所示，套筒偶极天线270至少部分地位于缝隙天线280的缝隙282内，并且偶极馈源272也位于缝隙内或附近。套筒偶极天线270具有集成的平衡-不平衡变换器274。要注意的是，套筒偶极天线的至少一部分延伸至缝隙外。

一般而言，套筒偶极天线是具有从天线元件的一端进入的馈源(例如，发射或接收线)的偶极天线。平衡-不平衡变换器是一种平衡天线馈源上的电流的天线元件。否则，电流可能流过馈源电缆或平台的金属部分。这些不平衡的电流不仅使天线的辐射图案变形，而且也降低辐射效率。

即使由于具有正交极化的互补天线对的性质而使各天线的天线元件共置，图2a-2c中所示的示例天线对在天线元件之间也提供极高的隔离度(例如，60db或更高)。某些实施方式具有65db或更高的隔离度。因此，来自天线元件的电场和磁场是解耦的，这使得元件之间产生极高的隔离度。

互补天线被描述为共置。在一个或多个实施方式中，这意味着天线位于无线装置(例如，移动装置110)的电路或电路板的共同的“基板面”(即，二维空间或x-y方向)的边界内。两个不同的天线共置。这样，偶极天线至少部分地位于缝隙天线的一个或多个缝隙的边界内。

图3a和3b示出包括ibfd互补线性极化天线对的两个示例天线系统300、350。出于说明的目的，以简化的方式示出两个示例300、350。例如，未示出附接有天线元件的基板。同样，也未示出大部分连接链路。

图3a示出示例天线系统300，其是如本文所述的ibfd互补天线对的较低隔离度的实施方式。示例天线系统300包括套筒偶极天线元件310；具有缝隙324的缝隙天线元件320、322；用于缝隙馈源的同轴电缆330以及同轴电缆的暴露的同轴电缆导体332。暴露的同轴电缆导体332在图3a中用虚线包围。

对于这个示例天线系统300，暴露的同轴电缆导体332在某些实施方式中为一毫米或更大。在其它实施方式中，暴露的同轴电缆导体的长度大于其跨越的缝隙的宽度。在其他实施方式中，暴露的同轴电缆导体的长度大于其横跨的套筒偶极天线元件的宽度。

在套筒偶极天线元件310的某些实施方式中，使用了微带。微带是一种可以使用印刷电路板(pcb)技术制造的电传输线路。它由导电带组成，所述导电带由被称为基板的介电层与接地面分隔开。在某些其他实施方式中，可以使用其他解决方案，诸如带状线和共面波导。

在某些实施方式中，同轴电缆馈源330和天线结构(例如，310、320、322)由印刷在多层印刷电路板(pcb)上的平面金属带构成。

图3b示出示例天线系统350，其是如本文所述的ibfd互补天线对的较高隔离度的实施方式。示例天线系统350包括套筒偶极天线元件360；具有缝隙374的缝隙天线元件370、372；用于缝隙馈源的同轴电缆380以及同轴电缆的暴露的同轴电缆导体382。暴露的同轴电缆导体382在图3b中用虚线包围。

对于这个示例天线系统350，暴露的同轴电缆导体382在某些实施方式中小于一毫米。在其他实施方式中，暴露的同轴电缆导体的长度小于其跨越的缝隙的宽度。在其他实施方式中，暴露的同轴电缆导体的长度小于其横跨的套筒偶极天线元件的宽度。

各天线电流中都存在竖直分量和水平分量二者。由于套筒偶极天线元件310、360(例如，微带结构)的边缘上的竖直电流是主要的，所以经常忽略水平电流(或磁场)。然而，水平电流可以与缝隙同轴电缆馈源330、380的中心导体332、382上的电流耦合。

为了将隔离度最大化并且实现缝隙和套筒-偶极天线之间的极高等级的隔离度(例如，高于60db)，应将套筒偶极天线元件310、360的水平电流与缝隙同轴电缆馈源330、380的暴露的中心导体332、382的电流之间的耦合最小化。

缝隙同轴电缆馈源330、380的暴露的中心导体332、382的长度和一个天线与另一个天线的电场之间的耦合(例如，相互作用)之间存在直接相关性。因此，将暴露的中心导体332、382的长度最小化提高了互补天线对之间的隔离度。

因此，在某些实施方式中，暴露的同轴电缆导体382小于一毫米，以实现极高等级的隔离度(例如，高于60db)。在其他实施方式中，暴露的同轴电缆导体的长度小于其跨越的缝隙的宽度。在其他实施方式中，暴露的同轴电缆导体的长度小于其横跨的套筒偶极天线元件的宽度。

图4a和4b示出根据本文描述的一个或多个实施方式构造的示例互补天线结构400的相对侧。图4a示出示例互补天线结构400的第一侧410(名义上的“前”侧)。图4b示出示例互补天线结构400的第二以及相对侧450(名义上的“后”侧)。

如图所示，示例互补天线结构400在基板405的前侧410上具有套筒偶极天线的天线元件420。偶极元件420在一对元件430之间延伸并且延伸超过一对元件430，所述一对元件430充当缝隙天线并且在其间限定缝隙432。

基板405的前侧410上的天线元件422充当套筒偶极天线的套筒和/或平衡-不平衡转换器，并且还充当缝隙天线的接地平面。套筒偶极天线的同轴电缆馈源424附接在基板405的一端，并且可以从基板的两侧看到。

在基板405的前侧410上示出同轴电缆馈源440。具体地，示出从基板出来并横跨于缝隙432中的偶极元件420之上。图4a示出馈源440的暴露的中心导体442，并且由其附近的虚线圈出以突出显示。

基板405的后侧450具有天线所用的地。具体地，元件434是缝隙天线所用的折叠地，并且元件426是套筒偶极天线所用的地。

图5a和5b从不同的角度示出示例互补天线结构400的同轴电缆馈源440的放大视图。这些图还从不同角度示出暴露的中心导体442。同轴电缆馈源440配置为避免不同天线之间的耦合或短路。一般而言，套筒偶极元件(例如，420)的宽度大于暴露的中心导体442的长度。

此外，因为各天线元件可以与tx或rx子系统连接，所以不需要环行器。在一个或多个实施方式中，一个天线元件(例如，缝隙天线)可以印刷在薄的天线基板上，而另一个天线元件可以印刷在基板的另一侧上。一个或多个实施方式可以采用传统和新的无线协议以及用于长期演进(lte)、蓝牙(bt)、ieee801.11x(wifi)、多输入多输出(mimo)和所谓5g通信协议的大部分(如果不是全部)频带。

在某些实施方式中，天线的元件在不同天线的元件之间仅具有0.1mm间隙的情况下共置。天线可以封装成具有两个馈源的单个天线结构。本文描述的天线元件的某些实现方式可构造为具有微带、带状线和/或共面波导。

偶极天线相对于缝隙天线的布置可以根据实施方式而变化。例如，偶极天线可以位于缝隙正上方/下方的缝隙天线的上面/下面。此外，偶极天线也可以与缝隙宽度内的缝隙天线在同一平面上。

实施方式可以使用不同类型的缝隙天线。合适的缝隙天线的示例包括半波长天线、四分之一波长天线、电小天线、阻抗加载天线和材料加载天线。

尽管本文描述的实施方式涉及与移动装置的一部分(诸如电话、蜂窝电话、智能电话、平板电脑等)一起使用，但是可以在不同类型的无线装置中使用其他实施方式，诸如基站、接入点、中继器以及回程、无线塔等。这里，对无线装置的引用包括在无线通信网络中常用的所有这样的装置(例如，wifi、蜂窝等)。同样，对便携式无线装置的引用包括交互的或者是无线通信网络的一部分的便携式或移动装置。

当然，本文描述的实施方式集中于组合偶极和反向缝隙天线。其他实施方式可以采用天线的其他类型和组合，只要它们相对于彼此线性正交地工作。

在示例实施方式的以上描述中，出于解释的目的，为了更好地解释如权利要求所述的本发明，阐述了具体数量、材料配置和其他细节。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以使用与本文描述的示例不同的细节来实践本发明。在其他情况下，对公知的特征进行了省略或简化以使得示例实施方式的描述更加清楚。

发明人意图将所描述的示例实施方式作为主要的实例。发明人不希望这些示例实施方式限制所附权利要求的范围。而是，发明人考虑到也可以结合其他现有或未来技术以其他方式来体现和实施本发明。

此外，本文使用的词语“示例”用于表示示例、实例或说明。本文使用的“示例”的任何方面或设计不应当一定要解释为优于或胜于其它方面或设计。相反，使用“示例”这个词是旨在以具体的方式呈现概念和技术。例如，术语“技术”可以指代由本文的上下文所指示的一个或多个装置、设备、系统、方法、制品和/或计算机可读指令。

以下示例涉及进一步的实施例：

示例1是一种带内全双工(ibfd)天线系统，包括：线性极化发射天线，在功能上耦合到无线装置的无线发射子系统；以及线性极化接收天线，在功能上耦合到无线装置的接收子系统；其中两个天线共置于无线装置中；其中发射天线和接收天线配置为当无线装置以带内全双工模式工作时以基本上彼此正交的线性极化进行辐射。在此注意的是，“在功能上耦合”是指部件以一定方式连接以便它们一起作用。例如，发射天线以发射系统通过发射天线并且从发射天线发射信号的方式在功能上耦合到其发射系统。

在示例2中：如示例1所述的系统，其中发射天线和接收天线配置为当无线装置以带内全双工模式工作时以接近真正彼此正交的方向的线性极化进行辐射。

在示例3中：如示例1所述的系统，其中发射天线是从由缝隙天线和偶极天线组成的组中选择的。

在示例4中：如示例1所述的系统，其中接收天线是从由缝隙天线和偶极天线组成的组中选择的。

在示例5中：如示例1所述的系统，其中发射天线是从由缝隙天线和偶极天线组成的组中选择的，并且接收天线是从缝隙天线和偶极天线组成的组中选择的。

在示例6中：如示例5所述的系统，其中缝隙天线是从由半波长天线、四分之一波长天线、电小天线、阻抗加载天线和材料加载天线组成的组中选择的。

在示例7中：如示例5所述的系统，其中偶极天线是套筒偶极天线。

在示例8中：如示例5所述的系统，其中偶极天线位于缝隙天线的缝隙内。

在示例9中：如示例1所述的系统，其中当无线装置以带内全双工模式工作时，发射天线和接收天线呈现至少约60db的隔离度。

在示例10中：如示例5所述的系统，其中偶极天线位于缝隙天线的缝隙内；缝隙天线具有同轴电缆缝隙馈源，所述同轴电缆缝隙馈源连接具有多层平面结构的所述缝隙天线的元件；同轴电缆缝隙馈源布置在缝隙和偶极天线上。

在示例11中：如示例5所述的系统，其中偶极天线位于缝隙天线的缝隙内；其中缝隙天线是连接缝隙天线的元件的同轴电缆缝隙馈源；其中同轴电缆缝隙馈源布置在缝隙天线的缝隙和其中的偶极天线上方；其中同轴电缆缝隙馈源包括在同轴电缆缝隙馈源的一部分中的暴露的同轴电缆导体，同轴电缆缝隙馈源布置在缝隙天线的缝隙以及偶极天线上方。

示例12是一种天线系统，包括：线性极化发射天线，其布置在基板上并且在功能上耦合到无线装置的无线发射子系统；线性极化接收天线，其布置在基板上并且在功能上耦合到接收子系统；各天线配置为当子系统同时在共同频带内工作时以基本上彼此正交的线性极化进行辐射。

在示例13中：如示例12所述的系统，其中发射天线和接收天线配置为为当子系统同时在共同频带内工作时以接近真正彼此正交的方向的线性极化进行辐射。

在示例14中：如示例12所述的系统，其中发射天线和接收天线共置于无线装置中。

在示例15中：如示例12所述的系统，其中发射天线和接收天线中的一个是缝隙天线。

在示例16中：如示例12所述的系统，其中发射天线和接收天线中的一个是偶极天线。

在示例17中：如示例12所述的系统，其中发射天线和接收天线中的一个是套筒偶极天线，另一个是缝隙天线。

在示例18中：如示例12所述的系统，其中发射天线和接收天线中的一个是偶极天线，另一个是缝隙天线；偶极天线至少部分地位于缝隙天线的缝隙内。

在示例19中：如示例18所述的系统，其中：缝隙天线作为连接缝隙天线的元件的同轴电缆缝隙馈源；同轴电缆缝隙馈源横跨于缝隙天线的缝隙以及其中的偶极天线之上；同轴电缆缝隙馈源具有在同轴电缆缝隙馈源的一部分中的暴露的同轴电缆导体，同轴电缆缝隙馈源横跨于缝隙天线的缝隙以及偶极天线之上。

在示例20中：如示例19所述的系统，其中暴露的同轴电缆导体的长度小于偶极天线的宽度。

在示例21中：如示例12所述的系统，其中当子系统同时在共同频带内工作时，发射天线和接收天线呈现至少约60db的隔离度。

示例22是一种无线装置，包括：无线通信系统，其包括无线发射子系统和接收子系统，各无线传输子系统配置为同时在共同频带内工作；天线系统，其包括一对共置的互补的基本上正交线性极化的天线，其中各子系统在功能上仅耦合到一对天线中的一个。

在示例23中：如示例22所述的装置，其中天线系统的天线对中的一个天线是偶极天线，另一个是缝隙天线。

在示例24中：如示例22所述的装置，其中：天线系统的天线对中的一个天线是偶极天线，另一个是缝隙天线；偶极天线至少部分地位于缝隙天线的缝隙内。

在示例25中：如示例22所述的装置，其中当子系统同时在共同频带内工作时，天线呈现至少约60db的隔离度。