【摘 要】
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目前,第五代移动通信（5G）技术已经成为全球热点,对通信系统的小型化、低功耗、多功能等方面提出了新的挑战。射频前端系统作为通信系统中必不可少的组成部分,其性能的提高对整个系统具有重要意义。在一般的设计中,射频前端系统中的滤波器和天线通常是分立设计后直接级联,这大大增加了射频前端的尺寸和复杂性,带来了额外的插入损耗。尤其在毫米波频段,滤波器Q值太低无法和芯片集成,单独封装也面临与天线、芯片多次互连导
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目前,第五代移动通信（5G）技术已经成为全球热点,对通信系统的小型化、低功耗、多功能等方面提出了新的挑战。射频前端系统作为通信系统中必不可少的组成部分,其性能的提高对整个系统具有重要意义。在一般的设计中,射频前端系统中的滤波器和天线通常是分立设计后直接级联,这大大增加了射频前端的尺寸和复杂性,带来了额外的插入损耗。尤其在毫米波频段,滤波器Q值太低无法和芯片集成,单独封装也面临与天线、芯片多次互连导致损耗较大的问题。此外,5G系统与2G/3G/4G系统并存是目前主流,但由于基站站址空间有限,不同频段天线之间距离较近,导致严重的异频互扰问题。滤波天线作为能够同时实现滤波和辐射两种功能的无源器件,为射频前端系统的优化设计和多频段通信系统的异频互扰问题提供了新的解决方案。本文针对毫米波天线单元的集成滤波方法及其相控阵列开展了深入的研究工作,分别提出三款新型的毫米波滤波天线单元,在保证天线辐射性能的同时实现了较好的滤波性能。在此基础上,研制了两款集成滤波功能的毫米波相控阵列,实现了宽角扫描性能。主要创新工作如下:1.基于超表面的±45°双极化毫米波滤波天线研究。通过超表面的特征模分析,提出毫米波超表面天线单元的新型植入式滤波方法,即利用超表面结构的带外模式引入上阻带零点,在超表面单元下方植入寄生金属接地枝节引入下阻带零点。通过调整超表面与馈电缝隙的排布形式,分别实现高带外抑制（30d B）、宽阻带抑制（上阻带至58GHz）的两款±45°双极化毫米波超表面滤波天线单元。由于利用了超表面自身的多谐振模式特性,没有引入额外的滤波结构,并且寄生结构位于天线内部,不占用多余的空间,天线能够在高集成、低功耗的结构下实现较好的滤波性能。2.面向5G应用的±45°双极化毫米波滤波相控阵列研究。为满足5G毫米波通信系统的杂波抑制需求,将提出的宽阻带抑制超表面滤波天线单元进行小型化设计,单元尺寸缩减至0.33λ0,用于设计具有滤波性能的毫米波宽角扫描相控阵天线。阵列不仅可以在24.25GHz-29.5GHz内实现±46°波束扫描性能,还能在扫描的同时保持稳定的滤波性能。下阻带抑制水平为16d B,上阻带抑制水平为14.5d B,且上阻带可抑制到40GHz。3.面向无线输能的高选择性毫米波滤波天线及相控阵列研究。针对毫米波无线输能的应用需求,提出一款高选择性高抑制的滤波天线单元。采用缝隙耦合馈电的贴片天线,通过增加寄生贴片、开口环型缝隙、接地柱,以及短路枝节,从而在工作频带外引入多个零点,实现了高带外抑制水平。同时,通过建立等效传输线电路模型分析了滤波天线单元的工作原理。采用LTCC封装工艺,将该单元进行4×4阵列扩展,实现了宽角扫描的滤波天线阵列。阵列不仅具有高抑制的滤波性能:上下阻带抑制水平均高于23d B,上阻带可抑制到35GHz,还能够实现-58°～+60°的波束扫描。带内辐射效率高于75%,带外辐射效率低于7%。
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