濾波天線在現(xiàn)代通信的引人矚目與應(yīng)用

一、創(chuàng)世紀(jì)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(hào)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)特定頻率范圍內(nèi)信號(hào)的濾波處理。這種天線可以在無(wú)線通信系統(tǒng)中起到信號(hào)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(guó)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(chǎng)原因和技術(shù)問(wèn)題在當(dāng)年并沒(méi)有廣泛被運(yùn)用。

技術(shù)限制：在當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平下，實(shí)現(xiàn)高性能的濾波器和天線的集成是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。濾波天線需要在一個(gè)物理結(jié)構(gòu)內(nèi)同時(shí)實(shí)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(jì)人員在電路設(shè)計(jì)和天線工程方面具備復(fù)雜的交叉學(xué)科知識(shí)。而且，濾波器的性能也受制于當(dāng)時(shí)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(jì)和制造比傳統(tǒng)天線更加復(fù)雜，它的成本可能較高。在

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

市場(chǎng)需求：當(dāng)時(shí)的通信系統(tǒng)和技術(shù)還沒(méi)有達(dá)到今天的復(fù)雜程度。許多通信系統(tǒng)使用較低頻率，對(duì)于濾波天線來(lái)說(shuō)并不是十分必要。因此，市場(chǎng)需求的缺乏也限制了濾波天線的發(fā)展。

二、成長(zhǎng)的巨星：濾波天線在現(xiàn)代通信的引人矚目與應(yīng)用

當(dāng)今社會(huì)中，各種移動(dòng)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(wú)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(jì)的重要特征。

如今，人們對(duì)通信產(chǎn)品的需求已不再局限于提供交流、資訊、娛樂(lè)、搜索、電子商務(wù)和辦公協(xié)作等一體化服務(wù)，同時(shí)對(duì)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(shì)也導(dǎo)致射頻前端電路的空間資源受到了無(wú)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(gè)極為重要的組成部分，其搭配的狀況將直接影響整個(gè)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(diǎn)就是可以將傳輸信號(hào)中不需要的頻段亦或是指定頻段以外的無(wú)效區(qū)域進(jìn)行分離過(guò)濾，得到通信設(shè)備所需范圍的電源信號(hào)。

利用濾波器的指向性頻率選擇效果，可以對(duì)干擾的噪音信號(hào)進(jìn)行篩除并且對(duì)指定的頻譜進(jìn)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(kāi)進(jìn)行單獨(dú)的設(shè)計(jì)，中間需要跨度射頻開(kāi)關(guān)、雙工器和天線調(diào)節(jié)開(kāi)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(lái)的插入損耗不可避免。

因而濾波器和天線的一體化設(shè)計(jì)將是未來(lái)行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，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(kāi)展了垂直一體化布局，將這種新興的融合一體化設(shè)計(jì)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(gè)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(shí)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(huì)越發(fā)的清晰。

三、解密濾波天線：設(shè)計(jì)方法揭密與優(yōu)缺點(diǎn)分析

濾波天線簡(jiǎn)要設(shè)計(jì)流程

第一種設(shè)計(jì)方法是直接級(jí)聯(lián)，將具有相同阻抗的濾波器末端與天線輸入端口級(jí)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(jì)要將2種器件單獨(dú)設(shè)計(jì)，有時(shí)還需要單獨(dú)設(shè)計(jì)匹配電路，不僅增加了一點(diǎn)過(guò)的損耗，且尺寸和重量必然增加。

第二種設(shè)計(jì)方法為等效代替法，顧名思義，就是將濾波器的最后一級(jí)諧振器用天線來(lái)代替，這樣設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)濾波天線時(shí)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(wú)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(jì)在濾波天線等效替代法與融合設(shè)計(jì)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(shí)，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(jì)，在不引入濾波電路的前提下，通過(guò)增加寄生貼片、電磁耦合、堆疊技術(shù)以及增加開(kāi)路/短路枝節(jié)等方法在低頻以及高頻產(chǎn)生輻射零點(diǎn)，實(shí)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(diǎn)。

四、探秘濾波天線的多樣面貌：令人驚嘆的設(shè)計(jì)實(shí)例

1、級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)

S.Yang教授在2016年使用濾波器和天線的級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)方式，實(shí)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(dú)設(shè)計(jì)好的帶通濾波器的輸出端作為貼片天線的輸入端，實(shí)現(xiàn)濾波器和天線的級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)。

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(gè)終端開(kāi)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(cè)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(jì)方法設(shè)計(jì)的濾波天線如下圖所示，該天線設(shè)計(jì)過(guò)程充分體現(xiàn)了等效替換的思想。首先，設(shè)計(jì)了一個(gè)三階濾波器，然后將濾波器開(kāi)路（去除一個(gè)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(kāi)環(huán)諧振器。

等效代替法設(shè)計(jì)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(gè)諧振模式，由于帶寬比較窄，濾波器中2個(gè)開(kāi)環(huán)諧振器的模式非常靠近T形天線的模式，并在其輻射頻率范圍內(nèi)，所以展現(xiàn)出來(lái)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(jì)的濾波天線也有類似的問(wèn)題。

3、融合設(shè)計(jì)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(tái)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(tái)的用于 5G 應(yīng)用的寬帶高增益濾波天線

該濾波天線通過(guò)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(shí)，由于輻射零點(diǎn)的形成，獲得了較低頻帶的頻率選擇性。在驅(qū)動(dòng)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(diǎn)。

因此，實(shí)現(xiàn)帶通濾波功能，三個(gè)諧振頻率點(diǎn)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(zhǎng)），天線峰值增益為10.4 dBi。

審核編輯：劉清