集滤波功能于一体的高性能天线分析与设计文献综述

 2022-11-13 11:11

文 献 综 述

  1. 研究背景

当前,随着科学技术不断发展,人们在注重信息传输速度和品质的同时,更加追求方便、快捷和智能化、多样化的信息传递方式。这就给无线通信系统的发展带来了机遇和挑战,也提出了向更小、更轻、更低价格、更好性能的方向发展的更高要求。

天线和滤波器是无源电路中的两个关键器件,在无线通信系统中扮演着重要的角色。一款设计合理的高性能天线,在收发信号的同时,还可以有效的控制电磁能空间分布,优化网络质量,提高系统容量,进而大幅提高系统整体性能。天线和微波滤波器在微波通信、雷达导航、电子对抗、卫星接力等系统中,被广泛应用,它们性能的优异直接影响了整个系统的总体性能;它们尺寸大小也直接影响了整个系统尺寸的大小以及便携性。

随着无线通信个性化、多样化的发展,越来越需要高性能便携式的终端设备,促使了天线和滤波器的小型化和可集成化,产生了各种结构紧凑、性能优异的天线和微波滤波器来满足小体积、轻重量、高性能的系统要求。在典型的系统应用中,天线和滤波器通常由不同的设计者通过不同的方法设计,可以单独工作。此外,传统的滤波天线设计方法着眼于天线和滤波器器件本身,先按标准阻抗单元进行独立的设计和优化,然后直接连接在一起,由于器件间的相互影响,这种方式可能使得级联后阻抗失配,总体性能恶化。为了消除相互影响,可以在天线和滤波器上设置相应的阻抗端口,通过电缆或波导相连接。这种设计方法,直接把天线滤波器系统分离成天线与滤波器两个子系统。但是这种方法不仅不能完全实现系统小型化的设计,而且在提高工作性能方面也存在一定的局限性,使得电路变得复杂,尺寸和损耗都会增大。已经不能够满足现代无线通信系统的小型化和高性能要求。因此,设计结构紧凑、性能优良的滤波天线成为现代无线通信系统研究中十分关键的工作,具有十分重要的研究意义。

从天线和滤波器的整体性能出发,将天线与滤波器进行一体化设计,将天线与滤波器进行集成,设计成一个模块,构成滤波天线,不仅可以减小天线滤波器系统的尺寸面积,而且更加有利于封装集成,能够有效减小系统三维封装尺寸与重量,进一步实现无线通信系统的小型化设计。所以滤波天线具有广阔的研究和应用前景。

  1. 研究现状

在大多数无线通信系统中,滤波器通常直接接在天线的输入或输出端口。无线通信系统正不断向小型化、集成化、智能化、多样化方向发展,而天线与滤波器作为两个尺寸相对比较大的关键器件,若能将天线与滤波器集成设计在一个模块中,让其既具有辐射特性,同时也具有滤波特性,构成滤波天线,就显得很有研究意义。国内外学者对此进行了广泛的研究工作。

在传统的滤波天线设计中:

1.天线与滤波器分别单独设计并与常用的特征阻抗(50 或者75Omega;)进行阻抗匹配,然后直接连接在一起,比如在参考文献一中提及到的天线与滤波器的直接级联[1];为了避免阻抗失配[2,3,4],在天线与滤波器之间加入阻抗匹配结构可以使滤波天线的输入端口与参考阻抗实现比较好的匹配。

然而这种设计方法往往会造成阻抗失配,增大电路的插入损耗,也会恶化滤波特性和增益响应(特别是在通带边缘附近)[5]。而且在滤波器和天线之间采用额外的阻抗变换器,或者在它们之间的接口处选择优化的阻抗,通常占据较大面积。

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