毫米波短距离带内全双工信道特性研究：天线辐射方向与互耦效应分析

《IEEE Open Journal of Antennas and Propagation》：Characterization of Short-Range mmW In-Band Full-Duplex Channels With a Focus on Antenna Characteristics

本文针对短距离毫米波（mmW）带内全双工（IBFD）通信系统中因天线近场互耦和平台散射导致的信道失真问题，系统开展了基于端射（Yagi-Uda）和边射（TCDA）天线的OTA信道表征研究。通过自动化测量平台获取了数千组信道数据，发现TCDA天线在5 mm内对齐时传输性能更优，而Yagi-Uda天线在>10 mm距离及非对准场景下鲁棒性更强。该研究为高数据率无线互连（如替代USB接口）的天线选型与布局提供了关键设计依据。

　　

在追求更高数据传输速率的无线通信浪潮中，毫米波（mmW）频段因其宽阔的频谱资源而备受青睐。特别是57-64 GHz这个无需许可的ISM频段，已成为短距离高速无线连接（例如芯片间、板卡间通信）的理想候选，有望取代易磨损的物理接口（如USB、HDMI）。然而，当通信距离缩短至毫米级别时，传统的基于远场假设的通信模型（如弗里斯传输公式）开始失效。天线彼此进入近场区域，强烈的相互耦合、平台散射以及多径效应使得信道响应变得异常复杂，严重扭曲信号波形并增加误码率（BER）。这对于旨在实现双向同时同频传输、以倍增频谱效率的带内全双?（In-Band Full-Duplex, IBFD）系统而言，挑战尤为严峻——本节点发射机对自身接收机的自干扰（Self-Interference）以及来自对端节点的反射干扰，若不能被抑制到噪声水平以下，将使得IBFD的优势荡然无存。因此，精确表征短距离毫米波信道，特别是厘清天线类型（如辐射方向图）及其相对位置对信道性能的影响，成为推动此类技术实际应用的关键前提。发表于《IEEE Open Journal of Antennas and Propagation》的这项研究，正是为了深入探索这一前沿问题。

研究人员为系统表征短距离毫米波IBFD信道，主要采用了以下几项关键技术方法：首先，搭建了一套基于四端口矢量网络分析仪（VNA）和三轴电动位移台的全自动空中（OTA）测量系统，实现了对接收天线在30 mm × 30 mm平面内的高精度（0.5 mm步进）栅格扫描，从而高效获取海量信道数据；其次，针对工作在57-64 GHz频段的差分馈电天线（Yagi-Uda和TCDA），设计了专用的多线直通反射线（M-TRL）校准件，并利用scikit-rf开源库对测量的原始S参数进行严格的四端口校准，确保了天线端口处数据的准确性；最后，通过处理校准后的频域S参数，提取了信道关键指标，包括57-64 GHz频带内平均差分S₂₁幅度（表征传输强度）、相邻天线间的隔离度（表征自干扰）、根据功率延迟profile（PDP）计算的均方根时延扩展（τ_RMS），并基于测量的信道响应通过MATLAB仿真了采用开关键控（OOK）调制方案下的系统误码率（BER）。

Measurement-Based Analysis of Short-Range Channel Characteristics

传输性能与对准敏感性分析

通过自动化测量系统对单对Tx-Rx天线在1 mm、2 mm、3 mm间距下的传输特性进行大规模扫描后，研究人员绘制了S₂₁幅度的空间热力图。研究发现，端射天线Yagi-Uda的信道响应在x-y平面上变化相对平缓，其传输电平集中在-52 dB至-18 dB的较窄范围内，表现出对天线横向错位较强的鲁棒性。而边射天线TCDA则展现出高度的对准敏感性：当Tx与Rx天线精确对准时，传输性能优异（最高可达-8 dB），但轻微错位就会导致信号强度急剧下降（最低至-62 dB），其累积分布函数（CDF）显示数据分布范围远宽于Yagi-Uda。这表明，在需要机械稳定性的静态系统中，对齐的TCDA能提供极高传输效率，但对于可能存在相对移动的场景，Yagi-Uda是更稳妥的选择。

RMS时延扩展与码间串扰（ISI）评估

均方根时延扩展（τ_RMS）是评估信道多径特性及潜在码间串扰（Inter-Symbol Interference, ISI）风险的关键参数。对测量数据的分析表明，TCDA天线对的τ_RMS值在x-y平面上随天线错位波动剧烈，但其在完美对准时可达到较低水平，意味着更少的多径散射和更低的ISI风险。Yagi-Uda天线对的τ_RMS分布则相对集中，约95%的测量值在1 mm间距下小于0.75 ns，表现出更稳定的时域特性。然而，在天线对准的情况下，TCDA的τ_RMS反而低于Yagi-Uda。这说明TCDA在理想对齐时不仅能提供高传输质量，还能保持良好的信号完整性。

IBFD系统中的自干扰隔离度

在引入第二对Tx-Rx天线构成完整IBFD系统后，研究重点转向了同一节点上相邻天线（如Tx1与Rx2）之间的隔离度，这直接关系到自干扰的抑制效果。由于平面Yagi-Uda天线仅支持单一极化，其初始隔离度较差（约-35 dB）。研究人员通过在天线间增加切割槽、增大间距以及引入接地铜箔反射器等方法，将隔离度提升了最高超过10 dB。相比之下，TCDA天线通过采用垂直与水平极化分集的设计，即使在同一PCB上紧密排列，其隔离度也天然地优于-50 dB，展现了在小型化IBFD节点中抑制自干扰的巨大优势。

系统级误码率（BER）性能验证

最终，研究通过系统级仿真将上述信道特性转化为实际的通信可靠性指标——误码率。在1 mm短距离下，TCDA信道在8 dB信噪比（SNR）下的眼图张开度更大，其BER性能在所有测试SNR下均显著优于Yagi-Uda信道，这与TCDA在短距离对齐时具有更高传输电平和更低τ_RMS的结论一致。然而，当通信距离增大至30 mm时，情况发生逆转：Yagi-Uda信道的眼图质量更好，BER更低，印证了其在中远短距离上的传输优势。这一结果清晰地划定了两种天线的适用场景边界。

本研究通过大规模的自动化OTA测量，深入揭示了天线辐射特性对短距离毫米波IBFD信道性能的决定性影响。研究结论明确指出，不存在一种“万能”的天线选择，最佳方案高度依赖于具体的应用场景和系统要求。对于信道距离在5 mm以内、且能保证天线精确对准的紧凑型静态IBFD系统（如固定式芯片间互连），采用极化分集设计的边射TCDA天线是首选，它能同时提供高传输速率、低延迟扩展和卓越的自干扰抑制能力。反之，对于信道距离超过10 mm、或者存在相对移动风险、对天线错位较为敏感的应用场景（如某些非接触式连接器），端射Yagi-Uda天线则凭借其更稳定的传输性能和抗错位能力展现出更大优势。该研究不仅为短距离无线互连系统的天线选型与布局提供了详实的实验数据和明确的设计指南，其提出的系统化信道表征方法也弥补了传统远场模型在近场应用中的不足，对推动下一代高速、高密度无线互连技术的发展具有重要意义。