什麼是濾波天線?

一、濾波天線的誕生與挑戰披露

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

雖然濾波天線的概念在1980年代被提出,但由於一些市場原因和技術問題在當年並沒有廣泛被運用。

技術限制:在當時的技術水平下,實現高性能的濾波器和天線的集成是一項挑戰。濾波天線需要在一個物理結構內同時實現天線的輻射功能和濾波器的頻率選擇功能,這要求設計人員在電路設計和天線工程方面具備複雜的交叉學科知識。而且,濾波器的性能也受制於當時的材料和製造工藝。

成本和複雜性:由於濾波天線的設計和製造比傳統天線更加複雜,它的成本可能較高。在當時,許多通訊系統和設備更關注降低成本和簡化設計,因此濾波天線可能並不被視為優先發展的方向。

市場需求:當時的通訊系統和技術還沒有達到今天的複雜程度。許多通訊系統使用較低頻率,對於濾波天線來說並不是十分必要。因此,市場需求的缺乏也限制了濾波天線的發展。

二、濾波天線在現代通訊的引人矚目與應用

當今社會中,各種行動通訊設備已經成為我們生活中不可或缺的伴侶。受到無線通訊技術迅猛發展的影響,小型化、輕量化、高度集成化以及多功能化已經逐漸成為現代射頻電路設計的重要特徵。如今,人們對通訊產品的需求已不再侷限於提供交流、資訊、娛樂、搜尋、電子商務和辦公協作等一體化服務,同時對產品的外觀形態和規格尺寸也有了全新的要求。這種趨勢也導致射頻前端電路的空間資源受到了無形的壓縮。

射頻前端架構示意圖

射頻前端架構示意圖

天線和濾波器可看作射頻前端構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訊系統的服務性能。其中,天線可以在電磁波的空間傳播中起到接收和發射的效果。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域進行分離過濾,得到通訊設備所需範圍的電源信號。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並且對指定的頻譜進行系統性地分析。二者在普通天線的射頻前端框架中關聯性較低,可以分開進行單獨的設計,中間需要跨度射頻開關、雙工器和天線調節開關等器件協同調節,其複雜度和佔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計將是未來行業發展趨勢,眾多學者、科研人員和研發單位已經廣泛關注並開展了垂直一體化佈局,將這種新興的融合一體化設計產物稱之為濾波天線(FA,Filtering Antenna)。濾波天線兼具了傳統天線穩定的帶內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的複雜性和體積尺寸大大降低,有利於實現通訊系統的小型化和高集成化。天線業務+濾波器的協同效應越明顯,通訊系統性能的提升度也就越高,應用前景也就會越發的清晰。

三、濾波天線設計方法揭密與優缺點分析

濾波天線簡要設計流程

濾波天線簡要設計流程

第一種設計方法是直接級聯,將具有相同阻抗的濾波器末端與天線輸入埠級聯,將濾波器的帶通響應、高通響應、低通響應以及帶阻響應代入天線的輻射響應中去。避免了一定阻抗失配的情況發生,減少了一定的能量損耗,但是這樣的設計要將2種器件單獨設計,有時還需要單獨設計匹配電路,不僅增加了一點過的損耗,且尺寸和重量必然增加。

第二種設計方法為等效代替法,顧名思義,就是將濾波器的最後一級諧振器用天線來代替,這樣設計者在設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計在濾波天線等效替代法與融合設計法中的應用。

帶通濾波器及其相應的濾波天線等效電路

帶通濾波器及其相應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後一階諧振器,濾波天線最後一階諧振器用並聯RLC代替,替換時,只需末端導納相同即可。這樣天線就具有了濾波器的濾波響應特性。

第三種方法是融合設計,在不引入濾波電路的前提下,通過增加寄生貼片、電磁耦合、堆疊技術以及增加開路/短路枝節等方法在低頻以及高頻產生輻射零點,實現帶內輻射,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:令人驚歎的設計實例

1、級聯設計

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

毫米波Vivaldi濾波天線

毫米波Vivaldi濾波天線

該濾波電路的輸入端設置為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,該短截線是為了調節濾波電路的輸出埠與天線之間的阻抗匹配。測試結果表明: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等人採用濾波器聯合設計方法設計的濾波天線如下圖所示,該天線設計過程充分體現了等效替換的思想。首先,設計了一個三階濾波器,然後將濾波器開路(去除一個埠),為了使濾波器更好的輻射,將Γ形天線取代最後一階方形開環諧振器。

等效代替法設計的濾波天線

等效代替法設計的濾波天線

最終反射係數和增益曲線下圖(c),天線仍然具有3個諧振模式,由於頻寬比較窄,濾波器中2個開環諧振器的模式非常靠近T形天線的模式,並在其輻射頻率範圍內,所以展現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。其他很多基於濾波器聯合設計的濾波天線也有類似的問題。

3、融合設計法

2021年8月,天津大學馬凱學教授課題組提出了一種基於基板集成懸浮線 (SISL) 平臺的用於 5G 應用的寬頻高增益濾波天線。

基於基板集成懸浮線 (SISL) 平臺的用於 5G 應用的寬頻高增益濾波天線

該濾波天線通過向傳統貼片天線添加矩形環,可以激發額外的諧振。同時,由於輻射零點的形成,獲得了較低頻帶的頻率選擇性。在驅動貼片上堆疊貼片,在上頻帶邊緣產生額外的共振模式和輻射零點。因此,實現帶通濾波功能,三個諧振頻率點的頻寬大大提高。部分頻寬為 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。

五、參考文獻

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