论文标题：Combining Polarization-Division Multiplexing and Ferromagnetic Nonreciprocity to Achieve In-Band Ultra-High Isolation for Full-Duplex Wireless Systems

期刊：Engineering

DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.02.007

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近日，加拿大蒙特利尔综合理工学院Poly-Grames研究中心的 Amir Afshani 与吴柯教授合作，在中国工程院院刊《Engineering》发表了题为 “Combining Polarization-Division Multiplexing and Ferromagnetic Nonreciprocity to Achieve In-Band Ultra-High Isolation for Full-Duplex Wireless Systems” 的研究论文。该研究创新性地将偏振分割多路复用（PDM）与铁磁非互易性相结合，成功研发出全无源、低成本且低复杂度的带内全双工（IBFD）无线系统模块，为 6G 及未来通信技术中数据吞吐量翻倍、传输延迟降低的核心需求提供了突破性解决方案，有效破解了当前 IBFD 技术商业化的关键难题。

随着5G技术的深度应用与6G研发的加速推进，智能物联网（IoT）、多输入多输出（MIMO）系统等新兴场景对更高数据速率、更低通信延迟、更优能效的需求日益迫切。带内全双工（IBFD）技术作为关键候选方案，可支持信号在带内同步收发，理论上能使数据吞吐量翻倍并大幅降低传输延迟，同时还能天然适配雷达与通信协同（ISAC）系统，成为未来智能无线系统多功能融合的核心支撑。

然而，IBFD 技术的落地面临核心瓶颈——发射机（Tx）对接收机（Rx）的强自干扰（SI）信号抑制难题。模拟域自干扰抵消（SIC）需达到至少 60 dB 才能避免模数转换器（ADC）饱和，当前主流的有源 SIC 技术却存在诸多缺陷：不仅设计复杂、成本高昂、功耗显著增加，还面临带宽窄、可调性有限及非线性失真等问题。例如，现有单天线可调谐集成 IBFD 系统在 80 MHz 带宽上实现 65 dB 模拟隔离度时，信号路径插入损耗超 3 dB，难以满足商业化大规模应用需求。

针对这一痛点，研究团队提出颠覆性技术方案，通过三大核心创新实现突破：一是首创并行双模循环器，首次实现循环器在两种正交波导模式（TE??与 TE??）下同时工作，利用铁磁非互易性，使电磁波仅在铁氧体特定界面沿单一方向传播，为偏振复用与非互易性的结合奠定关键硬件基础；二是双模波导集成设计，将双偏振（DP）天线与双模循环器集成于双模波导中，该波导可将垂直、水平两种正交偏振波精准转换为 TE??与 TE??正交波导模式，在空气域与电路域分别实现收发信号的正交传播，从物理层面阻断信号串扰；三是无源可调谐二次SIC机制，在模块内部嵌入独特的无源二次自干扰抵消方案，通过对铁氧体施加部分不对称磁偏置扰动（PAMBP），精准调控自干扰信号的振幅与相位 —— 磁偏置强度差控制振幅，扰动区域长度与位置控制相位，实现宽频段内隔离度的动态提升。

图1提出了一种将PDM和非互易方案相结合以实现带内超高隔离度的方法。（a）常规循环器和天线配置的概念示意图。（b）所提出的集成DM循环器和DP天线配置的概念示意图。在这个概念中，Tx信号被分配给偏振和模式1，而Rx信号被分配给偏振和模式2，其中偏振和模式是正交的。因此，由于循环器的非互易性和所分配信号的正交性，Tx和Rx信号都是孤立的。此外，所提出的DM循环器由一个固有的无源可调谐的二次SIC电路组成，提高了隔离性并提供了良好的频率可调性。（c）所提出模块的设计原理图，由六个基板层组成。介电层4~6是可选的，因为它们通过提高高度来扩大天线的带宽。端口1也是可选的，因为它提供了一个因Tx端口和端口1之间的同模隔离而产生的衰减信号副本。SP：单极化；SIW：基底集成波导。

图2 DM循环器和DP天线集成模块的测量和仿真结果。（a）、（b）所制作模块的顶视图和底部视图图片。制作了一种金属底座来支持该装置并促进磁铁的结合。（c）在S参数测量下的所提模块的图片。（d）返回损耗结果表明，在10 dB返回损耗标准下，设备带宽为700 MHz。（e）S参数结果表明从Tx到Rx和Tx到端口1的交叉耦合。可以看出，Tx到Rx的交叉耦合比Tx到端口1的交叉耦合要小得多。这是因为端口Tx和端口1以相同的模式（TE10）被激发，而它们之间的隔离度只是由于非互易性。但是，Tx和Rx信号以正交模式传播，由于非互易性和正交性，它们之间的隔离度更大。此外，虽然模拟和测量结果在Tx到端口1交叉耦合和两个端口的返回损失方面非常一致，但模拟预测的Tx到Rx隔离度比测量结果更大。这表明隔离度受制造公差的限制，这在模拟中没有建模。

实验数据显示，该全无源模块性能卓越：在中心频率 5 GHz 场景下，分别在 340 MHz、101 MHz、33 MHz 带宽上实现 50 dB、70 dB、80 dB 的超高隔离度，且具备优异的频率可调性；模块工作带宽达 700 MHz，返回损耗为10 dB，同时拥有高功率处理能力和超高线性，解决了有源方案的功耗与复杂度问题。在真实 IBFD场景测试中，该模块展现出极强的实用性：在90MHz带宽的64正交振幅调制（QAM）信号传输中，无需额外有源射频抵消器，即可实现 70 dB 以上的自干扰抑制；在多调制方案（QPSK、16-QAM、64-QAM、256-QAM）测试中，接收信号的误差矢量幅度（EVM）均满足5G通信标准要求，即使在发射机强干扰下，仍能稳定解调复杂信号。

该研究不仅为IBFD技术商业化扫清关键障碍，更开辟了新的技术路径：未来可结合新型磁性薄膜材料实现模块小型化与毫米波频段应用，也可与有源SIC技术、阵列天线集成，进一步将隔离度提升至100 dB以上，满足基站等高功率场景需求。这一成果将为6G无线通信、智能交通、物联网等领域的发展提供核心技术支撑，推动未来无线系统向更高效率、更低成本、更优性能方向迈进。

引用信息：

Amir Afshani, Ke Wu. Combining Polarization-Division Multiplexing and Ferromagnetic Nonreciprocity to Achieve In-Band Ultra-High Isolation for Full-Duplex Wireless Systems. Engineering, 2024, 40 (9): 179-187. DOI: 10.1016/j.eng.2024.02.007

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