濾波天線在現(xiàn)代通信的引人矚目與應(yīng)用

一、創(chuàng)世紀與艱辛之路：濾波天線的誕生與挑戰(zhàn)披露

濾波天線是一種集成了濾波器功能的天線，它可以在接收或發(fā)射信號的同時實現(xiàn)對特定頻率范圍內(nèi)信號的濾波處理。這種天線可以在無線通信系統(tǒng)中起到信號選擇和抑制干擾的作用，提高了系統(tǒng)的性能和可靠性。是美國電氣工程師Robert J. Mailloux于1980年代提出的。

雖然濾波天線的概念在1980年代被提出，但由于一些市場原因和技術(shù)問題在當年并沒有廣泛被運用。

技術(shù)限制：在當時的技術(shù)水平下，實現(xiàn)高性能的濾波器和天線的集成是一項挑戰(zhàn)。濾波天線需要在一個物理結(jié)構(gòu)內(nèi)同時實現(xiàn)天線的輻射功能和濾波器的頻率選擇功能，這要求設(shè)計人員在電路設(shè)計和天線工程方面具備復(fù)雜的交叉學(xué)科知識。而且，濾波器的性能也受制于當時的材料和制造工藝。

成本和復(fù)雜性：由于濾波天線的設(shè)計和制造比傳統(tǒng)天線更加復(fù)雜，它的成本可能較高。在

當時，許多通信系統(tǒng)和設(shè)備更關(guān)注降低成本和簡化設(shè)計，因此濾波天線可能并不被視為優(yōu)先發(fā)展的方向。

市場需求：當時的通信系統(tǒng)和技術(shù)還沒有達到今天的復(fù)雜程度。許多通信系統(tǒng)使用較低頻率，對于濾波天線來說并不是十分必要。因此，市場需求的缺乏也限制了濾波天線的發(fā)展。

二、成長的巨星：濾波天線在現(xiàn)代通信的引人矚目與應(yīng)用

當今社會中，各種移動通信設(shè)備已經(jīng)成為我們生活中不可或缺的伴侶。受到無線通信技術(shù)迅猛發(fā)展的影響，小型化、輕量化、高度集成化以及多功能化已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)代射頻電路設(shè)計的重要特征。

如今，人們對通信產(chǎn)品的需求已不再局限于提供交流、資訊、娛樂、搜索、電子商務(wù)和辦公協(xié)作等一體化服務(wù)，同時對產(chǎn)品的外觀形態(tài)和規(guī)格尺寸也有了全新的要求。這種趨勢也導(dǎo)致射頻前端電路的空間資源受到了無形的壓縮。

射頻前端架構(gòu)示意圖

天線和濾波器可看作射頻前端構(gòu)架中兩個極為重要的組成部分，其搭配的狀況將直接影響整個通信系統(tǒng)的服務(wù)性能。

其中，天線可以在電磁波的空間傳播中起到接收和發(fā)射的效果。而濾波器的主要特點就是可以將傳輸信號中不需要的頻段亦或是指定頻段以外的無效區(qū)域進行分離過濾，得到通信設(shè)備所需范圍的電源信號。

利用濾波器的指向性頻率選擇效果，可以對干擾的噪音信號進行篩除并且對指定的頻譜進行系統(tǒng)性地分析。

二者在普通天線的射頻前端框架中關(guān)聯(lián)性較低，可以分開進行單獨的設(shè)計，中間需要跨度射頻開關(guān)、雙工器和天線調(diào)節(jié)開關(guān)等器件協(xié)同調(diào)節(jié)，其復(fù)雜度和占地空間成本不可估量，濾波器所帶來的插入損耗不可避免。

因而濾波器和天線的一體化設(shè)計將是未來行業(yè)發(fā)展趨勢，眾多學(xué)者、科研人員和研發(fā)單位已經(jīng)廣泛關(guān)注并開展了垂直一體化布局，將這種新興的融合一體化設(shè)計產(chǎn)物稱之為濾波天線(FA，F(xiàn)iltering Antenna)。

濾波天線兼具了傳統(tǒng)天線穩(wěn)定的帶內(nèi)輻射功能以及濾波器帶外抑制、消除雜波的能力，可以使得整個射頻前端架構(gòu)的復(fù)雜性和體積尺寸大大降低，有利于實現(xiàn)通信系統(tǒng)的小型化和高集成化。

天線業(yè)務(wù)+濾波器的協(xié)同效應(yīng)越明顯，通信系統(tǒng)性能的提升度也就越高，應(yīng)用前景也就會越發(fā)的清晰。

三、解密濾波天線：設(shè)計方法揭密與優(yōu)缺點分析

濾波天線簡要設(shè)計流程

第一種設(shè)計方法是直接級聯(lián)，將具有相同阻抗的濾波器末端與天線輸入端口級聯(lián)，將濾波器的帶通響應(yīng)、高通響應(yīng)、低通響應(yīng)以及帶阻響應(yīng)代入天線的輻射響應(yīng)中去。

避免了一定阻抗失配的情況發(fā)生，減少了一定的能量損耗，但是這樣的設(shè)計要將2種器件單獨設(shè)計，有時還需要單獨設(shè)計匹配電路，不僅增加了一點過的損耗，且尺寸和重量必然增加。

第二種設(shè)計方法為等效代替法，顧名思義，就是將濾波器的最后一級諧振器用天線來代替，這樣設(shè)計者在設(shè)計濾波天線時提高了靈活度，在尺寸上也有一定的減小。

但是濾波器的階數(shù)影響著選擇性。且無法消除濾波器固有的插入損耗。

下列給出帶通濾波器的設(shè)計在濾波天線等效替代法與融合設(shè)計法中的應(yīng)用。

帶通濾波器及其相應(yīng)的濾波天線等效電路

從兩張圖我們可以看出，二者唯一的不同就是最后一階諧振器，濾波天線最后一階諧振器用并聯(lián)RLC代替，替換時，只需末端導(dǎo)納相同即可。這樣天線就具有了濾波器的濾波響應(yīng)特性。

第三種方法是融合設(shè)計，在不引入濾波電路的前提下，通過增加寄生貼片、電磁耦合、堆疊技術(shù)以及增加開路/短路枝節(jié)等方法在低頻以及高頻產(chǎn)生輻射零點，實現(xiàn)帶內(nèi)輻射，帶外濾波的特性，且具有小型化、集成化以及多功能化的特點。

四、探秘濾波天線的多樣面貌：令人驚嘆的設(shè)計實例

1、級聯(lián)設(shè)計

S.Yang教授在2016年使用濾波器和天線的級聯(lián)設(shè)計方式，實現(xiàn)了一種毫米波Vivaldi濾波天線。如下圖所示該濾波天線將單獨設(shè)計好的帶通濾波器的輸出端作為貼片天線的輸入端，實現(xiàn)濾波器和天線的級聯(lián)設(shè)計。

毫米波Vivaldi濾波天線

該濾波電路的輸入端設(shè)置為50Ω，輸出端的阻抗與天線的輸入阻抗相同。從圖可以看到，濾波電路的輸出端有一個終端開路短截線，該短截線是為了調(diào)節(jié)濾波電路的輸出端口與天線之間的阻抗匹配。

測試結(jié)果表明：該天線的工作頻段為25.99-31.49GHz,增益為8.48dBi。

2、等效代替法

2011年，西電Wu等人采用濾波器聯(lián)合設(shè)計方法設(shè)計的濾波天線如下圖所示，該天線設(shè)計過程充分體現(xiàn)了等效替換的思想。首先，設(shè)計了一個三階濾波器，然后將濾波器開路（去除一個端口)，為了使濾波器更好的輻射，將Γ形天線取代最后一階方形開環(huán)諧振器。

等效代替法設(shè)計的濾波天線

最終反射系數(shù)和增益曲線下圖(c)，天線仍然具有3個諧振模式，由于帶寬比較窄，濾波器中2個開環(huán)諧振器的模式非?？拷黅形天線的模式，并在其輻射頻率范圍內(nèi)，所以展現(xiàn)出來的增益比較平坦。但是天線的增益在頻段邊沿的滾降度不夠高，頻率選擇性欠佳。其他很多基于濾波器聯(lián)合設(shè)計的濾波天線也有類似的問題。

3、融合設(shè)計法

2021年8月，天津大學(xué)馬凱學(xué)教授課題組提出了一種基于基板集成懸浮線 (SISL) 平臺的用于 5G 應(yīng)用的寬帶高增益濾波天線。

基于基板集成懸浮線 (SISL) 平臺的用于 5G 應(yīng)用的寬帶高增益濾波天線

該濾波天線通過向傳統(tǒng)貼片天線添加矩形環(huán)，可以激發(fā)額外的諧振。同時，由于輻射零點的形成，獲得了較低頻帶的頻率選擇性。在驅(qū)動貼片上堆疊貼片，在上頻帶邊緣產(chǎn)生額外的共振模式和輻射零點。

因此，實現(xiàn)帶通濾波功能，三個諧振頻率點的帶寬大大提高。部分帶寬為 4.28 至 5.34 GHz(22.04%)，涵蓋特定的 5G n79頻段(4.4-5.0 GHz)。此外，天線高度僅為0.08λ（λ為中心工作頻率在自由空間的波長），天線峰值增益為10.4 dBi。

審核編輯：劉清