论文总字数：25724字

摘 要

天线和滤波器作为射频前端最重要的两个器件，其尺寸、性能等很大程度影响着整个通信系统的表现。其中，滤波器承担着频带和信道选择、滤除掉其他各种无用信号的功能，而天线的作用主要是接收和发射信号。这两者在射频前端通常会占据用很大的体积，为了更好地适应小型化的发展需求，可以将两者放在一起进行融合设计。

本文在深入研究天线、滤波器等基础理论的基础上，研究和设计了几种新型的滤波天线。本文主要工作内容概括如下：

首先，本文介绍了滤波天线的研究背景、现状及意义，接着介绍了天线和滤波器的一些理论知识，包括微带天线的结构、原理、馈电方法以及滤波器的性能指标、设计方法等。

其次，结合理论分析与软件仿真，通过引入短路通孔、嵌入U型槽等，进一步提高了滤波天线的频率选择性、带外抑制水平，拓宽了带宽，并最终实现了较好的带通滤波特性。

最后，在上述工作的基础之上，我们设计了一款工作在24~28GHz的微带滤波天线，该款滤波天线的3dB带宽约为20.7%，在通带内的平均增益大于9dB，带外抑制接近-25dB。

关键词：毫米波，微带线，滤波天线，小型化，双极化

Abstract

Antennas and filters are the two most important devices in the RF front-end. Their size and performance greatly affect the performance of the entire communication system. The filter bears the function of frequency band and channel selection, and filters out various other unwanted signals, and the antenna mainly functions to receive and transmit signals. Both of them usually occupy a large volume in the RF front-end. In order to better meet the development needs of miniaturization, the two can be put together for fusion design.

Based on the in-depth study of basic theories such as antennas and filters, this thesis studies and designs several new types of filter antennas. The main contents of this thesis are summarized as follows:

Firstly, this thesis introduces the research background, current situation and significance of the filtering antenna. Then it introduces some theoretical knowledge of the antennas and the filters, including the structure, principle, feeding methods and performance index and design methods of the microstrip antennas.

Secondly, combined with theoretical analysis and simulation, by introducing shorting pins and embedding U-shaped grooves, the frequency selectivity and out-of-band suppression level of the filtering antenna are further improved, the bandwidth is widened, and a better band-pass filtering characteristic is finally achieved.

Finally, based on the above work, we designed a microstrip filtering antenna operating at 24~28GHz. The 3dB bandwidth is about 20.7%, and the average gain in the passband is greater than 9dB. The suppression is close to -25dB.

KEY WORDS: millimeter wave, microstrip line, filtering antenna, miniaturization, dual-polarization

目 录

摘要 I

Abstract I

目 录 III

第一章 绪论 1

1.1研究背景与意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3主要内容及章节安排 4

第二章 基础理论 5

2.1前言 5

2.2微波网络 5

2.2.1散射矩阵 5

2.2.2传输矩阵 6

2.3滤波器 7

2.3.1滤波器概述 7

2.3.2滤波器的主要性能参数 7

2.4天线基础 9

2.4.1天线基本参量及分类 9

2.4.2.线极化贴片天线的馈电分析 11

2.5本章小结 13

第三章 一种没有外加电路的滤波天线 14

3.1前言 14

3.2滤波天线的结构和原理分析 15

3.3参数分析与讨论 20

3.4天线仿真结果 23

3.5本章小结 25

第四章 一种具有高选择性的双极化滤波天线 26

4.1前言 26

4.2滤波天线的结构和原理分析 26

4.3结果分析与讨论 30

4.4本章小结 30

第五章 结论与展望 31

参考文献 33

致 谢 35

第一章 绪论

1.1研究背景与意义

近几十年以来，随着无线电技术的不断进步和新兴技术的不断涌现，无线通信系统发生了翻天覆地的变化。通信频段和通信制式也越来越多，在带来发展机遇的同时，也对无线通信系统的性能提出了更高的要求，现在的通讯设备逐渐朝着小型化、集成化、高性能、多功能等方向发展。天线和滤波器作为射频前端系统的两个关键的元器件，其尺寸和性能很大程度上决定着整个通信系统的表现。传统的设计方法仅仅考虑了器件自身功能的实现，没有从整体去考虑和设计。因此，在这样的发展背景之下，在不影响整体性能的前提下，如果能够通过某种设计方式实现器件的小型化设计将会显得十分重要。

传统设计方法仅从器件自身的设计来考虑，两者在系统中进行级联后，将会导致系统尺寸较大，而且不能够保证完全的匹配。将天线和滤波器这两个不同的器件集成为一个整体，设计成滤波天线，^[1-10]这样一来，不仅可以在保有天线原来性能的同时实现滤波的功能，还可以有效减小系统的整体尺寸，从而使整体的结构变得更加紧凑，这样的设计必将很好地适应现代设备发展的需求。未来小型基站的发展对天线的性能、体积等方面提出了更高的要求，滤波天线将因此得到更加广泛的应用，因此，对于滤波天线领域的研究和设计将会具有更加重要的意义。

1.2国内外研究现状

现在的通讯电子设备正逐渐朝着小型化、高性能、多功能等方向发展，随着学科理论的不断创新以及科学技术的不断进步，未来科学家们可采用诸如石墨烯基等新兴技术来使得集成电路尺寸进一步缩小。而天线作为无线通信系统的重要部件，其相关方面的研究更是具有长远意义。

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