彻底颠覆传统耦合器设计！2-bit 片段结构让定向耦合器实现宽频高定向性

在无线通信领域，全双工技术一直是提升频谱效率的关键 —— 它能让设备在同一时间、同一频段既发射又接收信号，理论上可将通信容量翻倍。但一个棘手的问题始终存在：发射信号（TX）会不可避免地泄漏到接收端（RX），形成强干扰，严重影响接收信号质量。传统解决方案要么依赖复杂的多天线阵列，要么通过数字信号处理进行后级消除，不仅体积大、功耗高，还难以适配手机、AR/VR 等小型化终端。而华为与以色列理工学院联合研发的 “支持泄漏消除的全双工通信 RF 无线收发器” 专利（公开号：CN121336358A），用单天线 + 创新硬件架构，给出了更简洁高效的答案。今天我们一起来学习一下这个专利。这项专利的核心是通过硬件架构的巧妙设计，实现 “发射 - 接收 - 泄漏消除” 一体化，无需复杂后处理，就能从源头抑制 TX 泄漏。其创新点可概括为三点：创新一： 正交平衡功率放大器（QBPA）：四端口集成架构，实现信号 “分 - 合 - 消”，传统功率放大器（PA）仅负责信号放大，而 QBPA 模块首次将 “发射、接收、天线、消除” 四个端口集成一体，既是功率放大器，也是泄漏消除的核心枢纽。发射端：接收发射输入信号，分成两路相位差 90° 的信号分别放大，再通过耦合器合成后从天线端口输出；接收端：天线接收的信号同样分成两路 90° 相位差信号，经放大器反射后重构，在接收端口输出；泄漏消除端：专门设计消除信号端口，捕捉发射信号的反射泄漏部分，为后续消除提供 “原始素材”。这种架构让信号放大、信号分离、泄漏捕捉在同一模块内完成，大幅减少了信号传输损耗和延迟，为实时消除奠定基础。创新二： 反射式消除机制：用 “泄漏信号” 反制 “泄漏信号”专利最巧妙的设计，是不回避发射信号的反射泄漏，反而将其转化为消除干扰的 “工具”：发射信号在天线端口会产生不可避免的反射，这部分泄漏信号被 QBPA 模块引导至消除信号端口；消除输入信号发生器（核心是匹配滤波器）接收该反射信号后，以 “天线反射系数两倍” 的反射系数将其反射回 QBPA 模块，生成 “消除输入信号”；QBPA 模块对消除输入信号放大、相位调整后，生成与泄漏信号幅度相等、相位相反的 “消除信号”，在接收端口与泄漏信号精准抵消。简单说，就是用泄漏信号的 “镜像版” 去中和原泄漏信号，消除效率更高，且完全适配宽带场景。创新三： 自适应反馈闭环：动态优化消除效果为应对复杂通信环境下的信号变化，专利还设计了自适应反馈机制：在接收端口设置检测器，实时监测残留的泄漏信号；将残留泄漏信号的幅度、相位信息反馈给消除输入信号发生器，动态调整消除输入信号的参数；即使天线阻抗变化、信号频率波动，也能持续保持最优消除效果，解决了传统固定消除方案适应性差的问题。专利很长，读起来也很拗口，我们结合专利图示一起来看一下这个单天线全双工的工作原理专利中的 5 幅附图（图 1 - 图 5）是理解 “支持泄漏消除的全双工 RF 无线收发器” 技术原理的关键 —— 从基础架构、性能分析、信号流向，到优化方案、操作流程，层层递进呈现核心设计。图 1：核心架构示意图图1 展示 RF 无线收发器的最小可行架构，明确 “天线 - QBPA 模块 - 消除输入信号发生器” 三大核心组件的连接关系，是理解整体工作原理的基础。组件拆解（对应专利标注）标注编号 组件名称 核心功能 100 RF 无线收发器 整体设备，实现单天线全双工通信 + 泄漏消除 110 单个发射和接收天线 同时承担 RF 信号发射和接收，无需额外天线 120 QBPA 模块（正交平衡功率放大器） 核心枢纽，集成 4 个端口 + 信号分合 / 放大功能 121 发射信号端口（TXin） 接收外部输入的发射信号，是发射链路的起点 122 天线端口 连接天线 110，传输发射信号（出站）和接收信号（进站） 123 接收信号端口（RX） 输出消除泄漏后的纯净接收信号，是接收链路的终点 124 消除信号端口（SIC） 传输发射信号的反射泄漏部分，对接消除输入信号发生器 125 第一正交耦合器 拆分发射信号 / 消除输入信号为两路（相位差 90°），送入放大器 126 第二正交耦合器 合成放大后的信号（发射信号相长、消除信号相长），分离接收信号 127/128 功率放大器（PA0/PA90） 分别放大两路相位差 90° 的发射信号和消除输入信号 130 匹配滤波器（消除输入信号发生器核心） 反射调整泄漏信号，生成消除输入信号（反射系数为天线的 2 倍） QBPA 模块是 “信号处理中心”：通过两个正交耦合器实现信号的 “分 - 合”，两个放大器实现信号放大，四个端口分别对接发射、天线、接收、消除四条链路。匹配滤波器 130 直接连接消除信号端口 124，形成 “泄漏信号 - 反射调整 - 消除输入信号” 的闭环，是硬件级泄漏消除的核心。图 2：S 参数分析示意图专利图2 通过 S 参数（散射参数）量化收发器的端口特性，验证 QBPA 模块的隔离度和泄漏消除潜力，是技术可行性的关键验证。S 参数描述端口间信号的传输 / 反射特性，专利中重点关注 3 个核心参数：S11（发射端口反射系数）：描述发射信号端口 121 的信号反射程度。专利中通过调整放大器 127/128 的电流消耗控制 S11≈0.5，确保足够的泄漏信号被反射到消除端口 124，为消除提供 “素材”。 S22（天线端口反射系数）：描述天线端口 122 的信号反射程度。这是发射泄漏的主要来源之一（信号经天线反射后回流到接收端），专利中通过匹配滤波器的反射系数调整（Γ_SIC=2×Γ_Antenna）抵消该泄漏。 S31（发射 - 接收隔离度）：描述发射信号从端口 121 直接泄漏到接收端口 123 的程度。QBPA 模块通过正交耦合器的 “相消设计”，使 S31 最小化，减少直接泄漏。 图中曲线和节点展示了不同频率下各参数的变化趋势，验证了收发器在目标带宽内（适配 IEEE 802.11 标准）具备稳定的隔离度和泄漏消除能力。S 参数的优化目标：让发射信号在天线端口 “相长输出”、在接收端口 “相消泄漏”，同时让消除信号在接收端口 “相长抵消”。图 3：信号流示意图专利图3 详细拆解图 1 架构中 “发射 - 泄漏 - 消除 - 接收” 的完整信号路径，直观展示泄漏信号如何被捕捉、调整并抵消，是理解技术原理的核心图示。发射信号路径发射输入信号（Pri）从端口 121 进入→第一耦合器 125 拆分为两路（相位差 90°）→放大器 127/128 放大→第二耦合器 126 合成→从天线端口 122 经天线 110 发射（P_TX）。泄漏信号捕捉发射信号在天线端口 122 产生反射泄漏（P_TX 反射）→被第二耦合器 126 捕捉→引导至消除信号端口 124（P_SIC）。消除信号生成泄漏信号 P_SIC 进入匹配滤波器 130→以 2 倍天线反射系数反射→生成消除输入信号（P_SIC 调整后）→重新送入端口 124→经第一耦合器 125 拆分、放大器 127/128 放大→第二耦合器 126 合成消除信号（P_消除）。接收信号路径天线 110 接收外部信号（P_RX）→从端口 122 进入→第二耦合器 126 拆分为两路（相位差 90°）→放大器 127/128 反射→第二耦合器 126 合成纯净接收信号→与消除信号 P_消除在端口 123 叠加（泄漏信号被抵消）→输出最终接收信号（P_RX 最终）。消除信号与泄漏信号 “幅度相等、相位相反”：通过匹配滤波器的反射系数调整和正交耦合器的相位控制实现，确保在接收端口精准抵消。发射信号与接收信号 “路径分离”：发射信号在接收端口相消，接收信号在发射端口相消，从架构上减少相互干扰。图 4：优化架构示意图（带反馈 + 数字辅助）专利图4 展示在基础架构（图 1）上增加自适应反馈和数字辅助消除的优化方案，解决复杂环境下的残留泄漏问题，提升技术鲁棒性。新增组件及功能（对比图 1）新增标注 组件名称 核心功能 150 检测器（辅助检测器） 实时检测接收端口 123 的残留泄漏信号，采集幅度、相位信息 辅助端口 匹配滤波器辅助接口 两个作用：1. 采样消除输入信号；2. 注入数字辅助消除信号 数字 SIC 数字自干扰消除模块 针对模拟消除后的残留泄漏，通过数字信号处理进一步抵消 自适应反馈闭环：检测器 150 将残留泄漏信息反馈给匹配滤波器 130→匹配滤波器动态调整反射系数和延迟特性→消除信号实时优化，确保泄漏最小化。模拟 + 数字双消除：模拟消除（硬件架构）解决大部分泄漏，数字 SIC（辅助端口注入）解决残留泄漏，突破纯模拟消除的性能极限。模式兼容：支持全双工（FD）和半双工（HD）切换，HD 模式下可关闭 QBPA 模块，使 S22≈1，降低接收损耗。图 5：操作方法流程图专利图5 将专利的技术方案转化为可执行的步骤，对应图 1 - 图 4 的硬件架构，明确收发器的工作流程，是 “装置专利” 对应的 “方法专利” 核心图示。步骤拆解（对应专利权利要求 15）步骤 501：接收发射输入信号：QBPA 模块的发射端口 121 接收外部发射信号（如基站 / 终端的待发射数据）。 步骤 503：接收外部接收信号：天线 110 接收外部 RF 信号，通过 QBPA 模块的天线端口 122 送入模块内部。 步骤 505：生成并发射信号：发射输入信号经耦合器拆分、放大器放大、耦合器合成后，从天线端口 122 经天线发射。 步骤 507：反射泄漏信号到消除端口：发射信号在天线端口产生的反射泄漏，被引导至消除信号端口 124。 步骤 509：生成消除输入信号：匹配滤波器基于泄漏信号，以 2 倍天线反射系数反射生成消除输入信号，送入消除端口 124。 步骤 511：生成消除信号并输出：消除输入信号经 QBPA 模块处理生成消除信号，与接收信号在接收端口叠加，抵消泄漏后输出纯净接收信号。 关键逻辑步骤顺序不可逆：发射信号的泄漏是 “不可避免的副作用”，因此步骤 507（泄漏捕捉）必须在步骤 505（发射信号输出）之后，确保消除信号能精准匹配泄漏信号。全流程硬件驱动：所有步骤均由 QBPA 模块、匹配滤波器等硬件组件执行，无需复杂软件干预，实现低延迟泄漏消除。这项专利的优势不仅在于技术创新，更在于极强的实用性：总结在 6G 时代，随着通感一体化、超密集组网等技术的推进，全双工将成为终端和基站的标配。这项专利通过硬件创新解决了全双工的核心痛点，不仅能提升现有 5G 设备的通信效率，更将为 6G 小型化、高性能终端的研发奠定基础。从单天线到全双工，从被动抗干扰到主动消除，这项专利再次展现了通信领域 “以巧取胜” 的技术魅力 —— 用架构创新替代复杂设计，或许正是未来无线通信的突破方向。注释：文章截图来自公开专利，仅用于学习分享，如有侵权或者错误，请联系删除更正，感兴趣的同学，可以下载专利全文来研究一下。注释：射频学堂原创或者转载的内容，其版权皆归原作者所有，其观点仅代表作者个人，射频学堂仅用于知识分享。如需转载或者引用，请与原作者联系。来源：射频学堂