一种用于同时同频全双工系统的反射阵天线的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种用于同时同频全双工(Co-frequency Co-time Full Duplex，简称CCFD)系统的反射阵天线，能够同时接收和发射相同工作频率、同向极化的信号，包括发射端馈源、接收端馈源和反射阵列。发射端和接收端馈源以侧馈方式置于反射阵的同一侧，且与反射阵呈镜像对称关系。反射阵由双层金属贴片单元构成，每个双层金属贴片单元的上层金属贴片的尺寸小于对应的下层金属贴片尺寸。通过调整反射阵列中各贴片单元的贴片尺寸对相应贴片单元进行相位补偿，由此实现反射阵列经发射端馈源照射后形成沿阵面法方向的笔形波束，而接收端馈源接收沿阵面法方向的来波信号。同时，收发馈源间具有足够高的隔离度，以保证系统良好的电磁兼容性。
【专利说明】—种用于同时同频全双工系统的反射阵天线
【技术领域】
[0001]本发明涉及无线通信的天线【技术领域】，具体涉及一种用于同时同频全双工系统的反射阵天线。
【背景技术】
[0002]随着无线通信技术的应用和快速发展，无线通信已经成为个人和社会不可缺少的必备交互手段。目前的无线频谱资源已近枯竭，而无线通信业务对频谱资源的需求却呈指数上升。为了充分利用有限的频谱资源，同时同频全双工技术应运而生。不同于已有的频分双工(Frequency Divis1n Duplex, FDD)、时分双工(Time Divis1n Duplex, TDD),同时同频全双工(Co-frequency Co-time Full Duplex, CCFD)无线通信是在相同的工作频率下，同时发射和接收无线信号，从而使无线通信的容量在现存通信体制基础上扩大一倍，或者，频谱利用率提高一倍。
[0003]目前,反射阵天线已经获得广泛研究与应用，David M.Pozar等人在文献【Designof Millimeter Wave Microstrip Reflectarrays, IEEE Transact1ns on Antennas andPropagat1n, 1997, 45 (2): 287-296】中提出了单馈源的微带反射阵天线的设计方法，但单馈源结构在实际工程中只能做到时分复用，无法实现CCFD ;C.Han等人在文献【A C/Ka DualFrequency Dual Layer Circularly Polarized Reflectarray Antenna With MicrostripRing Elements, IEEE Transact1ns on Antennas and Propagat1n, 2004, 52(11):2871-2876】中提出了工作于C和Ka双频段的微带反射阵天线，在实际工程中，可以实现频分复用，即收发处于不同的工作频率上。中国发明专利【Ku频段双频双极化微带平面反射阵天线(CN 103560336 A，2014.02.05)】提出了一种双频双极化反射阵天线。该反射阵天线在Ku波段实现双极化工作，在同一工作频率下，通过不同的极化方式可以实现同时同频全双工，但这种方案并没有提高频谱利用率。
[0004]无线通信系统在同时同频的发射和接收信息时，为了保证通信质量，收发间必须有足够的隔离，这可以通过收发天线分离来实现，但这会增加系统复杂度，尤其是系统的体积和成本。在共用收发天线的通信系统中实现同时同频全双工，对降低系统的体积、成本，与现存系统的兼容以及系统的紧凑性等方面具有重要的价值和意义。本发明的目的是解决共用收发天线的CCFD系统中的电磁兼容问题，着力于收发天线间的隔离度问题。该问题的有效解决能真正成倍提高现存的频谱资源利用率。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是，提供一种用于同时同频全双工系统的反射阵天线，且具有足够高的收发隔离。
[0006]围绕所要解决的技术问题，本发明采取的技术方案是:
[0007]—种用于同时同频全双工系统的反射阵天线，能够同时接收和发射相同工作频率、同向极化的信号，其结构如图1所示，包括发射端馈源1、接收端馈源2和由双层金属贴片单元排布而成的反射阵列，所述双层金属贴片单元的结构由下至上依次为下层金属地板
6、介质基板3、上层金属贴片4以及在介质基板3内的下层金属贴片5 ;所述双层金属贴片单元的上层金属贴片4与下层金属贴片5的形状相似、法向轴线重合，且上层金属贴片4的尺寸小于下层金属贴片5的尺寸，所述的双层金属贴片单元以镜面对称方式排布成所述的呈镜面对称的反射阵列；所述发射端馈源I和接收端馈源2以侧馈方式并呈镜像对称分别置于反射阵列同一侧的两端，且发射端馈源I和接收端馈源2的对称面与所述反射阵列的对称面重叠。
[0008]由于发射端馈源到反射阵列各双层金属贴片单元的空间路径不同，其空间路径差会造成相位差，因而需要对双层金属贴片单元进行相位补偿，一般要求所用补偿方式达到超过360°的相位补偿能力，以满足实际需要。本发明通过调整所述反射阵列中每个双层金属贴片单元的上、下层金属贴片的尺寸，对相应双层金属贴片单元进行相位补偿，使反射阵列经发射端馈源I照射后形成沿反射阵列法方向的笔形波束，同时接收端馈源2接收沿反射阵列法方向的来波信号。
[0009]本发明的有益效果是:
[0010]本发明首次将反射阵天线应用于同时同频全双工系统中，将发射端天线与接收端天线集成于同一反射阵口径中进行一体化优化设计，有效的减小了同时同频全双工系统的体积、重量和复杂度；并且，在同时同频全双工系统前端的天线部分实现了良好的收发隔离，使系统有更好的电磁兼容性，进一步增强了接收端对本地发射端的抗串扰能力，从而提高无线通信质量。通过本发明的实施，能使现存通信体制下的通信容量成倍扩大，进而也成倍提高无线通信链路的频谱利用率。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1本发明用于同时同频全双工系统的反射阵天线的结构侧视图。
[0012]图2本发明实施例提供的反射阵列布阵示意图。
[0013]图3本发明实施例使用的双层方形金属贴片单元结构示意图。
[0014]图4本发明实施例中反射阵列上每个双层金属贴片单元所需的补偿相位与相应双层金属贴片单元的下层方形金属贴片边长之间的关系曲线图。
[0015]图5本发明实施例用于同时同频全双工系统的反射阵天线收发喇叭的散射参数曲线。
[0016]图6本发明实施例用于同时同频全双工系统的反射阵天线在15GHz的增益方向图。
【具体实施方式】
[0017]下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。
[0018]实施例
[0019]本实施例提供的用于同时同频全双工系统的反射阵天线的侧视结构如图1所示，中心工作频率为15GHz，包括发射端馈源1、接收端馈源2和由双层金属贴片单元排布而成的反射阵列。
[0020]为便于说明本实施例各部件的位置关系，建立O-XYZ直角坐标系，原点O位于反射阵金属地板的几何中心处，X轴与椭圆形反射阵的长轴重合，Y轴与椭圆形反射阵的短轴重合，Z轴为反射阵的法方向。
[0021]本实施例发射端馈源I与接收端馈源2均采用圆形喇叭天线，为保证反射阵在发射和接收中的主波束指向相同，发射端馈源I与接收端馈源2以侧馈方式置于反射阵的同一侧上方，且关于反射阵的对称面(Υ0Ζ面)呈镜像对称关系。
[0022]由于两个馈源关于YOZ平面呈镜像对称关系，发射端馈源I与接收端馈源2的功能可以互换，即发射端馈源I可以作为接收端馈源，接收端馈源2可以作为发射端馈源；同时，由上述分析知，来波信号经阵面反射后，能量并不会全部传递到接收端馈源，而是平均分配至发射端馈源和接收端馈源，这也是天线互易性的体现。
[0023]本实施例反射阵列的俯视结构如图2所示，整个阵面呈椭圆形，长轴为300mm，短轴为240mm，所用介质基板厚度h = 3.148mm，介电常数ε r = 2.33 ;反射阵列由476个双层金属贴片单元构成，双层金属贴片单元的布阵方式为关于XOZ平面与YOZ平面对称，相邻金属贴片单元的中心间距均相同且不大于工作频率15GHz对应的二分之一自由空间波长即10mm，以保证反射阵在工作频段内不会出现较大的栅瓣，从而提高天线的方向性，保证通信质量。
[0024]本实施例的双层金属贴片单元结构如图3所示，贴片单元的上、下层金属贴片均采用方形，双层介质基板的正面为上层方形贴片4，中间为下层方形贴片5，而背面则为金属地6 ;同一贴片单元的上、下层方形贴片的中心重合，且各边彼此平行；反射阵列中所有双层方形金属贴片单元的上、下层金属贴片的边长比均为0.7。
[0025]为便于说明反射阵列中各双层金属贴片单元结构参数的设计过程，以下描述中，除所研究的参数外，其他所有参数固定，这并不失一般性。设定参数:中心金属贴片单元的中心坐标为(0，O, O)，发射端馈源的位置为rf = (108.3，O, 158.1)，接收端端馈源的位置为(-108.3,0, 158.1)[单位:毫米]，收、发馈源的主瓣指向与Z轴的夹角均为11° ;各天线单元中心的位置记为= (m, η, O),其中,m代表天线单元的横坐标(X轴)值，η代表天线单元的纵坐标(Y轴)值，这样，第(m，n)个天线单元的补偿相位Φ.可由下式确定:
[0026]Φ? = k0.Rnm
[0027]其中，k0为中心频率上的自由空间波数，Rmn是发射端馈源到反射阵上各双层金属贴片单元中心的距离，即Rnm= IrmnTfI ;由反射阵单元对称性可知，只需计算出发射端馈源一侧(Υ0Ζ平面沿X轴正方向)的单元补偿相位即可。
[0028]进一步的，在得到反射阵列不同位置上的双层金属贴片单元所需的相位补偿值后，并结合电磁仿真软件(如HFSS、CST等)所得的反射阵列上每个双层金属贴片单元所需的补偿相位与相应双层金属贴片单元的下层方形金属贴片边长之间的关系(如图4所示)，由此可得反射阵面中所有双层金属贴片单元的具体尺寸；且由图4可知，下层方形贴片边长在2?8mm范围内，移相范围在-84°?360°，表明该双层金属贴片单元结构能实现超过360°的相位补偿，且相位补偿曲线的变化率比较平缓，线性度高。
[0029]图5为发射端喇叭与接收端喇叭间的散射参数曲线。由反射阵列的对称性、两馈源摆放位置的对称性以及天线的互易性可知，s(l, I)为喇叭的自反射系数，S(2, I)为发射端喇叭与接收端喇叭间的传输系数。从图5可知，在14.65?15.1GHz范围内，两喇叭间隔离超过40dB的带宽为450MHz ;同时，在工作带宽内两个喇叭的回波系数也均在-1OdB以下。
[0030]图6为微带反射阵天线在15GHz的增益方向图。从图中看出反射阵在15GHz的最大增益为26.05dBi, E面和H面的最大辐射方向均为反射阵的法方向，第一副瓣电平约为-19.7dB (6.35-26.05 = -19.7)。
[0031]需要说明的是:本发明所述的双层金属贴片单元的金属贴片形状不限于本实施例所采用方形，还可以是圆形、环形等形状；本发明所述的反射阵列不限于本实施例所采用的椭圆形，还可以是圆形、方形等其他呈镜像对称的布阵方式。
【权利要求】
1.一种用于同时同频全双工系统的反射阵天线，能够同时接收和发射相同工作频率、同向极化的信号，其特征在于，包括发射端馈源(I)、接收端馈源(2)和由双层金属贴片单元组成的反射阵列，所述双层金属贴片单元的结构由下至上依次为下层金属地板(6)、介质基板(3)、上层金属贴片(4)以及在介质基板(3)内的下层金属贴片(5);所述双层金属贴片单元的上层金属贴片(4)与下层金属贴片(5)的形状相似、法向轴线重合，且上层金属贴片(4)的尺寸小于下层金属贴片(5)的尺寸，所述的双层金属贴片单元以镜面对称方式排布成所述的呈镜面对称的反射阵列； 所述发射端馈源(I)和接收端馈源(2)以侧馈方式并呈镜像对称分别置于反射阵列同一侧的两端，且发射端馈源(I)和接收端馈源(2)的对称面与所述反射阵列的对称面重置; 通过调整所述反射阵列中每个双层金属贴片单元的上、下层金属贴片的尺寸，对相应双层金属贴片单元进行相位补偿，使反射阵列经发射端馈源(I)照射后形成沿反射阵列法方向的笔形波束，同时接收端馈源(2)接收沿反射阵列法方向的来波信号。
2.根据权利要求1所述的一种用于同时同频全双工系统的反射阵天线，其特征在于，所述的双层金属贴片单元的上层金属贴片(4)与下层金属贴片(5)均为圆形或均为环形。
3.根据权利要求1所述的一种用于同时同频全双工系统的反射阵天线，其特征在于，所述的双层金属贴片单元的上层金属贴片(4)与下层金属贴片(5)均为方形。
4.根据权利要求3所述的一种用于同时同频全双工系统的反射阵天线，其特征在于，所述的反射阵列上的所有双层方形金属贴片单元的上层金属贴片(4)与相应下层金属贴片(5)片的边长比均相同。
5.根据权利要求1所述的一种用于同时同频全双工系统的反射阵天线，其特征在于，所述的反射阵列中相邻双层金属贴片单元的中心间距均相同且不大于工作频率对应的二分之一自由空间波长。
6.根据权利要求1所述的一种用于同时同频全双工系统的反射阵天线，其特征在于，所述的发射端馈源(I)和接收端馈源(2)均为喇叭天线。
7.根据权利要求6所述的一种用于同时同频全双工系统的反射阵天线，其特征在于，所述的喇叭天线的口径为圆形。
【文档编号】H01Q19/10GK104269651SQ201410467998
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月15日 优先权日:2014年9月15日
【发明者】李家林, 王策, 肖绍球, 王秉中 申请人:电子科技大学