学术研究报告：高增益高隔离度的单天线全双工系统

一、研究作者与发表信息
本研究的通讯作者为Chenhui Dai与Zhi-Ya Zhang，均来自西安电子科技大学天线与微波技术重点实验室。该研究以论文形式发表于2024年IEEE国际天线与传播研讨会（IEEE APS 2024），论文标题为《A High-Gain and High-Isolation Single-Antenna for Full-Duplex Application》。

二、学术背景与研究目标
科学领域：本研究属于无线通信中的全双工（Full-Duplex）天线设计领域，聚焦于解决单天线系统中发射（Tx）与接收（Rx）端口的高隔离度与高增益难以兼顾的问题。
研究动机：传统全双工天线子系统常因隔离网络设计牺牲增益与带宽，导致实用性受限。例如，文献[2][3]虽通过180°耦合器实现90 dB隔离度，但工作带宽仅20 MHz，难以满足实时通信需求。
研究目标：提出一种集成高增益微带贴片天线与高性能隔离网络的单天线全双工子系统，实现增益>10 dBic、隔离度>50 dB、轴比<2.4的宽频带（2.018–2.12 GHz）性能。

三、研究流程与方法
1. 天线设计
- 辐射单元：采用多层堆叠微带贴片（multi-layer stacked patch unit），通过介质螺钉固定各层，拓展工作带宽（图1）。与传统微带天线相比，其带宽与增益显著提升。
- 反射器优化：在天线底部加载反射器（reflector），进一步增加增益。通过优化馈电尺寸，使电压驻波比（VSWR）接近1，实现端口阻抗匹配，减少能量反射（图1c）。

1. 高隔离网络设计

   • 核心组件：由两个混合耦合器（hybrid coupler）和两个环行器（circulator）构成（图2）。正交混合电路生成两路幅度相等、相位差90°的信号，环行器阻断Tx信号直接泄漏至Rx端口。
     
   • 抗干扰机制：针对环行器泄漏（L1/L2）和天线失配反射（R1/R2），利用抵消效应（cancellation effect）在Rx端口实现能量抵消。仿真（HFSS）显示，Tx-Rx隔离度在工作频段内超过62 dB（图3a）。
     

2. 实验验证

   • 测试方法：使用矢量网络分析仪（VNA）评估端口性能，远场测试系统测量辐射特性。
     
   • 关键指标：实测增益达10.5 dBic（Tx端口），轴比<2.4，VSWR<1.55，隔离度>50 dB（图4）。
     

四、研究结果与逻辑关联
1. 天线性能：多层贴片与反射器组合使增益提升至10.5 dBic，同时带宽覆盖102 MHz（2.018–2.12 GHz），满足宽频需求。
2. 隔离网络效能：通过混合耦合器与环行器的协同设计，将理论隔离度（62 dB）转化为实测>50 dB，显著优于传统平衡馈电网络（40–50 dB）。
3. 系统整合：天线与隔离网络的协同优化解决了反射能量（R1/R2）与泄漏（L1/L2）的干扰问题，验证了子系统在实时通信场景的可行性。

五、结论与价值
1. 科学价值：提出了一种新型单天线全双工架构，通过多层贴片与反射器提升增益，结合混合耦合-环行器网络实现高隔离，为全双工天线设计提供了新思路。
2. 应用价值：该系统适用于需高实时性的场景（如视频通话、在线游戏），其宽频与高隔离特性可提升移动设备在动态环境中的通信稳定性。

六、研究亮点
1. 创新设计：首次将多层贴片天线与反射器结合用于全双工系统，突破传统增益-隔离度权衡限制。
2. 方法优势：提出的高隔离网络通过抵消效应降低干扰，实测隔离度达行业领先水平（>50 dB）。
3. 工程意义：子系统结构紧凑（图1），易于集成，为5G/6G小型化全双工设备提供实用方案。

七、其他有价值内容
文献对比显示，本研究在增益（10.5 dBic vs. 传统 dB）与带宽（102 MHz vs. 20 MHz）上均优于同类工作（如文献[3]）。未来可进一步探索该设计在毫米波频段的扩展性。