宽带高隔离度馈源反射天线在全双工应用中的研究

作者及发表信息
本研究的作者为Prathap Valale Prasannakumar（学生会员，IEEE）、Mohamed A. Elmansouri（高级会员，IEEE）和Dejan S. Filipovic（高级会员，IEEE），均来自美国科罗拉多大学博尔德分校电气、计算机与能源工程系。该研究发表于*IEEE Transactions on Antennas and Propagation*，2022年5月第66卷第5期。

学术背景
本研究属于天线设计与射频工程领域，重点解决全双工通信系统中自干扰（Self-Interference, SI）的抑制问题。全双工系统（Simultaneous Transmit and Receive, STAR）能够在同一频段同时收发信号，理论上可加倍频谱效率，但其实现受限于发射信号对接收通道的干扰。传统方法依赖多层干扰消除技术（如数字域和模拟域），而本研究聚焦天线层的隔离优化，提出一种高增益、高隔离度的反射天线系统，适用于远距离通信和电子战（Electronic Warfare, EW）等场景。

研究目标
1. 设计一种宽带圆极化反射天线，工作频段为4–8 GHz，增益>21 dBic（最高28 dBic），反射系数|S11|<−10 dB。
2. 通过双极化同轴腔体馈源（Coaxial Cavity Antenna）实现高隔离度（>30 dB），避免传统支撑结构带来的遮挡问题。
3. 结合波束形成网络（Beamforming Network, BFN）实现单站（Monostatic）STAR操作，通过信号抵消机制抑制自干扰。

研究流程与实验方法
1. 馈源设计
- 结构优化：采用同轴腔体天线作为馈源，通过调整内/外导体直径比（b/a=0.23）和单锥形探针（Monocone-Shaped Probe）优化阻抗匹配，实现|S11|<−10 dB的倍频带宽（4–8 GHz）。
- 模式激励：通过180°混合器激发TE11模式，实现双线极化；结合90°混合器生成圆极化（CP）。
- 性能验证：实测增益>6 dBic，轴比（Axial Ratio, AR） dB，相位中心稳定性高（变化%），适用于反射面照明。

1. 反射面设计

   • 对称结构：采用轴对称抛物面反射器（直径40 cm，焦距比f/d=0.495），通过顶点匹配技术（Apex Matching）减少反射面对馈源阻抗的影响。
     
   • 自支撑设计：将馈源内导体延伸至反射面顶点，避免支撑结构带来的遮挡和旁瓣恶化。
     
   • 性能对比：与偏置馈电反射面相比，对称设计虽阻抗匹配略差，但辐射方向图对称性更优，交叉极化<-20 dB，旁瓣电平<-16 dB。
     

2. 全双工系统实现

   • 信号抵消架构：BFN由90°和180°混合器及环行器（Circulators）组成，通过路径I和II的180°相位差抵消泄漏信号，理论隔离度无限高。
     
   • 实际限制：商用器件（COTS）的幅度/相位不平衡导致实测隔离度为30 dB，仍比传统单环行器方案提高15 dB。
     

主要结果
1. 天线性能：实测带宽覆盖4–8 GHz，增益峰值28 dBic，交叉极化<-20 dB，阻抗匹配良好（图7）。
2. 隔离度优化：对称反射面结构比偏置设计隔离度高8 dB；表面粗糙度（RMS高度0.2 cm）会降低隔离度14 dB（图18-19）。
3. 系统验证：采用COTS混合器（幅度不平衡±0.6 dB，相位不平衡±10°）时，实测隔离度>30 dB（图20）。

结论与价值
1. 科学价值：提出了一种新型同轴腔体馈源设计，扩展了宽带高隔离度天线的实现方法；揭示了天线对称性、BFN平衡性对隔离度的关键影响。
2. 应用价值：该天线系统适用于远距离STAR通信、电子战及雷达系统，为解决自干扰问题提供了天线层解决方案。

研究亮点
1. 创新馈源设计：通过单锥形探针和模式优化，实现了倍频带宽匹配。
2. 自支撑反射面：内导体延伸设计避免了支撑结构对辐射性能的影响。
3. 全双工架构：结合BFN的信号抵消机制，为单站STAR系统提供了实用化方案。

其他有价值内容
- 分析了表面粗糙度对天线性能的影响，为实际工程中的制造公差控制提供了参考。
- 对比了对称与偏置反射面的优劣，为不同应用场景的天线选型提供了依据。