具有高选择性的滤波天线的研究与设计.docx

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1、具有高选择性的滤波天线的研究与设计目录中文摘要IABSTRACTII第一章 绪论11.1研究背景及意义11.2 国内外研究现状21.2.1综合设计法21.2.2增益零点法81.3本文的研究内容和主要贡献111.3.1 本文的研究内容111.3.2论文的主要贡献11第二章 基于交叉耦合的高选择性滤波天线132.1 引言132.2基于J/K变换器的带通滤波器132.2.1 J/K变换器理论132.2.2 基于J/K变换器二阶滤波器172.3滤波天线的结构182.3.1传输零点产生的机理192.3.2参数分析212.4仿真及其测试结果212.5本章小结23第三章 基于新型多模谐振器设计下的双频滤波天

2、线243.1引言243.2 新型多模谐振器的设计与分析243.3 双频滤波天线303.3.1双频天线的结构303.3.2双频滤波天线的结构303.4仿真测试结果313.5本章小结33第四章 全向辐射特性的高选择性双频滤波天线344.1 引言344.2 具有全向辐射特性的双频滤波天线344.2.1天线结构344.2.2天线的工作机理364.3天线的仿真结果404.4本章小结42第五章全文总结与展望435.1 总结435.2 未来研究方向43参考文献45攻读学位期间取得的研究成果及参与科研的项目51致谢52个人简况及联系方式53承诺书54学位论文使用授权声明55ContentsChinese Ab

3、stractIABSTRACTIIChapter 1 Introduction11.1 Background and Siginficance of the Study11.2 Research Status at Home and Abroad21.2.1 The method of integrated design21.2.2 Method of introducing null in gain81.3 Research Content and Main Contributions111.3.1 Main Research Content111.3.2 Main Contribution

4、s12Chapter 2 High selectivity filtering antenna based on multi-coupling path132.1 Introduction132.2 Bandpass filter based on J / K inverter132.2.1 The theory of J / K inverter 132.2.2 Second-order bandpass filter based on J / K inverter172.3 The Structure of filtering Antenna182.3.1 Mechanism of rad

5、iation nulls192.3.2 Analysis of Parameters212.4 Simulation and Measurement Results212.5 Conclusion23Chapter 3 Dual band filtering antenna based on multi-mode resonator243.1 Introduction243.2 Design and Analysis of a Novel Multi-mode Resonator243.3 Dual Band Filtering Antenna303.3.1 The Structure of

6、Dual Band Antenna303.3.2 The Structure of Dual Band Filtering Antenna303.4 Simulation and Measurement Results313.5 Conclusion33Chapter 4 Dual Band high selectivity omnidirectional filtering antenna344.1 Introduction344.2 Dual Band omnidirectional filtering antenna344.2.1 The Structure of Antenna344.

7、2.2 The mechanism of the antenna364.3 Simulation and Measurement Results404.4 Conclusion42Chapter 5 Summary and Prospection435.1 Conclusion435.2 Future research directions43Reference45Research Achievements During the Master Period51Acknowledgment52Personal Profiles53Letter of Commitment54Authorizati

8、on Statement55中文摘要众所周知，无线通信技术已经作为现如今社会不可或缺的一项重要技术。近些年，不论是医学、军队、航天还是民用范畴，相关领域学者都对通信设备的小型化、集成化以及多功能化进行了深度的研究与探讨。将射频前端无源器件如滤波器、功分器、天线集成一体化设计自然而然得到了大家的青睐，这样的设计方式不仅可以减小通信系统的总体尺寸，而且实现了一种器件同时拥有多种功能特性，适应了当前无线通信发展的大趋势。本文对具有高选择性的单频和双频段滤波天线进行了研究和设计，论文的具体内容如下：1) 设计了一款基于交叉耦合的高选择性滤波天线。通过采用双层介质基板的结构，将矩形贴片和四分之一波长谐振

9、器蚀刻在双层介质的顶面和底面，两者共用中间的地平面，并在地平面上蚀刻H型缝隙实现四分之一波长谐振器和矩形贴片之间的耦合，接着采用另一个H型缝隙增加馈源和天线之间的耦合路径，由于增添新的耦合路径使得滤波天线通带两边同时产生辐射零点，极大地提高了天线的频率选择性。2) 设计了一款基于新型多模谐振器的高选择性双频带滤波天线。通过在发夹型谐振器内对称地加载两个相同的开路短截线，使谐振器具有多模的特性，将其与单极子双频天线进行耦合实现双频段滤波天线，由于多模谐振器从输入到输出存在两条信号传输路径，可以产生多个传输零点，使得最终实现的双频滤波天线具有很好的频率选择性。3) 设计了一款没有增加额外滤波电路的

10、全向型双频段滤波天线。使用层叠圆形和环形金属贴片的多层结构及中心馈电的方式实现具有双频段的全向辐射特性，另外通过引入短路探针和在贴片上蚀刻缝隙，在通带两边引入辐射零点，进而双频段全向滤波天线得以实现。关键词：交叉耦合；新型多模谐振器；双频；全向；辐射零点ABSTRACTAs we all know, wireless communication technology has become an indispensable technology in modern society. In recent years, whether in the medical, military, aerosp

11、ace or civilian fields, scholars in related fields have conducted in-depth research and discussion on the miniaturization, integration and multi-function of communication equipments. The integration of RF front-end passive components such as filters, power dividers, and antennas is very popular, the

12、 design method not only reduces the overall size of the communication system, but also realizes that one device has multiple functional characteristics, highly adapted to the current trend of wireless communication development. This paper has researched and designed singleband and dualband filtering

13、 antennas with high selectivity. The specific contents of the paper are as follows: 1) A high selectivity filtering antenna based on the cross-coupling theory is designed. By adopting the structure of double-layer substrate, the rectangular patch and the quarter-wavelength resonator are etched on th

14、e top and bottom surfaces of the double-layer dielectric. The two share a middle GND, and the H-shaped gap is etched on the GND to achieve the Coupling between a quarter-wavelength resonator and a rectangular patch , and then use another H-slot to introduce the coupling path between the feedline and

15、 the antenna. Due to the addition of a new coupling path, radiation nullsare generated on both sides of the passband, which greatly improves the frequency selectivity of the antenna.2) A high selectivity dual band filtering antenna based on a new multi-mode resonator is designed. By loading two iden

16、tical open stubs symmetrically in a hairpin resonator, the resonator has the characteristics of dual band and multi-mode, and it is coupled with a monopole dual band antenna to implement a dual band filtering antenna. There are two signal propagation paths from the input to the output, which can gen

17、erate multiple transmission nulls, so that the dual band filtering antenna is realized with high frequency selectivity.3) An omnidirectional dual band filtering antenna was designed without additional filter circuits. The use of multi-layer structures with stacked circular and annular metal patches

18、and central feeding to achieve omnidirectional radiation characteristics with dual band. In addition, by introducing short-circuit probes and etching gaps on the patches, introducing radiation nulls on both sides of the passband , And then a dual band omnidirectional filtering antenna is realized.Ke

19、y words: Crosscoupling; New multimode resonator; Dual band; Omnidirectional; Radiation nullIII第一章 绪论1.1研究背景及意义从最初的世界上第一台电话的发明到如今5G时代的到来，通信技术在得到翻天覆地变化的同时也自然而然地渗透到了社会的各个领域，不论是医学、生物学、航天学、农业以及军队都得到了充分的发展与利用。随着日新月异、层出不穷的无线通信新技术、新材料的发明与采用，通信设备的发展方向毋庸置疑仍旧会朝着小型化、多功能化、集成化的方向发展，但是相比较于共同构成无线通信系统的有源控制电路来说，射频前端的

20、无源微波器件设计所能满足的小型化是远远不能够的，面对这一设计瓶颈，微波器件集成设计的多功能化可以很好地解决这一难题。在无线通信系统中，滤波器在抑制镜频干扰、去除杂散信号、电路的信号选取以及带外能量的消除上起到无可替代的作用，这也是滤波器一直是微波通信领域内诸多学者多年来重点研究对象的最本质原因。而天线作为无线通信系统信号收发的关键器件，其适用于不同领域实用天线的设计也是微波通信领域学者们几十年来始终如一研究的热点。天线和滤波器性能的好坏决定着整个无线通信系统的性能，而在最初传统的设计方式中一般是将两者以端口50欧姆进行单独的设计，再用50欧姆的连接器进行相连。然而，如此的传统设计方式存在着诸多

21、的不足之处，例如在两者的单独设计上耗费着大量的人力资源和时间成本，由于两者间连接时不可避免的失配情况，引入额外的匹配网络是必要的，但这不仅进一步增大了射频前端的尺寸而且或多或少地造成了新的能量损耗，这些不足之处都是与当前通信设备小型化以及多功能化的发展方向是背道而驰的。对于无线通信射频前端存在的上述问题，该领域的国内外学者考虑到将两者集成设计为一个器件的构想，使该器件同时具有滤波和辐射的特性，在近些年就该器件，也就是“滤波天线”的研究和设计拥有了一定的成果，而且现如今对于“滤波天线”的研究与设计依旧是诸多学者炙手可热的研究热点。相比于之前传统的单独设计方式，滤波器和天线集成设计为一个器件的方法

22、不仅大大减小了射频前端的尺寸及插入损耗，而且在不影响天线辐射特性的前提下，使之同时具有提高信号选择性、抑制镜频干扰及带外能量消除的特性，而以上特性中的选择性毋庸置疑是滤波天线最根本的性能指标，所以设计的滤波天线若具有高选择性这一基本特性将是极具实用价值的。而且，由于频谱资源的日渐匮乏，多频段通信设备的设计也是如今无线通信领域研究的重点方向。如果在实现滤波天线一体化的前提下使之工作在多个频段，并且在每个频段都具有很好的选择性，也就是“具有高选择性的多频段滤波天线”，这样的研究设计成果对于无线通信技术的发展是具有重大意义的。1.2 国内外研究现状通过对近些年学者们关于滤波天线的研究与设计的总结，本

23、文将滤波天线的总体设计方式归纳为两大类：一是综合设计法，二是增益零点法。对于综合设计法来说，其中的设计方式大体可以分为两种，一种思路就是将滤波电路通过传输线与天线直接级联；另一种是现如今最常用的设计方法，思路是将滤波天线视为一个多阶的滤波器，将最后一阶谐振器由天线代替，使之同时具有滤波和辐射的特性。对于增益零点法而言是尽可能在滤波天线设计中不专门设计滤波器电路部分，通过在天线的结构上增加某些小的结构，在天线增益通带的边缘引入辐射零点达到滤波的特性，这种设计方式在近些年也越来越多的被使用。1.2.1综合设计法近些年，利用综合设计法进行滤波天线的设计是最受欢迎的设计方式，并且涌现了许多很好的成果1

24、-41。综合设计法基本可分为两种思路，第一种就是将滤波器电路部分与天线直接级联实现滤波天线1-6。另一种思路将多阶滤波器的最后一阶谐振器由天线代替，使之同时具有滤波和辐射的特性7-41。下面将综合设计方法在单频滤波天线和多频滤波天线的两个方向的发展现状进行阐述。相比于多频滤波天线的设计，利用综合设计方式设计单频滤波天线的技术已经相对成熟，并且国内外已经涌现许多的文献1-28。第一类实现滤波天线的设计方式是将具有相同工作频段的天线与滤波器直接级联起来1-6，这其中的思想是将天线作为滤波器的一个负载并与之级联。这种设计方式虽然可以分别进行天线和滤波器的设计，再进行简单的匹配级联而实现滤波天线的设计

25、，但是这种方式实现的滤波天线很容易存在高电路损耗、尺寸大、结构复杂等问题。在文献2中，Lin Li和Gang Liu利用多层的结构实现了一个差分滤波天线。滤波天线的基本结构是将两组四分之一波长J变换器和一个U型谐振器放置在最底层构成滤波天线的差分滤波电路，然后通过短路探针直接与顶层的矩形差分贴片天线级联而实现差分滤波天线的设计。滤波天线的结构图和反射系数及其增益曲线图如图1.1所示，虽然利用多层的结构克服了级联设计方式造成尺寸过大的缺点，但是从图1.1(c)可以看出所设计的差分滤波天线的通带边缘没有辐射零点，滤波天线的选择性还可以进一步改善。(a) 滤波天线俯视图(b) 滤波天线的最底层及侧视

26、图(c) 滤波天线的反射系数及增益曲线图图1.1 差分滤波天线结构图和反射系数及增益曲线图在综合设计法的第二种思路中，将滤波器与天线结合在一起进行设计，天线在作为传统辐射体进行辐射工作的同时，还作为滤波器的最后一阶谐振器。这种设计方式不但可以使天线在工作频带的边缘具备与滤波器通带边缘相近的高选择性，而且还克服了级联设计方式中所需的匹配网络，进一步减小了系统的尺寸和系统损耗。在2009年C. K. Lin等人提出滤波天线综合设计的最初原形后7，在2011年，文献8中首次详细介绍了关于滤波天线综合设计的方法，在此也开启了通过综合设计方法进行滤波天线设计的热潮，同年在文献9中，Wei-Jun Wu等

27、人将三阶开环滤波器的最后一阶谐振器用单极子型天线代替，结构图如图1.2(a)所示，使之不仅作为三阶滤波器的最后一阶谐振器同时还具有天线的辐射特性，最终实现的具有三阶滤波特性的滤波天线相对带宽16.3%，通带最大增益2.41dBi。图1.2(b)体现了其滤波和辐射相结合的特性。文献10中也采用了类似的设计方法进行了滤波天线的设计。由于当时滤波天线的综合设计方式还处于最初阶段，所实现的滤波天线的高选择特性基本都有提高的空间。(a) 滤波天线的结构图(b) 反射系数及其增益曲线图图1.2 滤波天线的结构图及其反射系数和增益曲线图随着时间的推移，滤波天线的综合设计方式在推理和实践中愈发成熟，研究学者们

28、也尝试了不同形式的天线与滤波器进行相结合的设计。在文献11-12中环形滤波电路部分及其扇形等天线结构就应用在了单频滤波天线的设计中，在文献11中，Xinwei Chen等人利用扇形辐射贴片和环形开环谐振器设计了一款具有二阶滤波特性的单频滤波天线，其中环形开环谐振器作为滤波天线的初级谐振器与T型馈电电路进行缝隙耦合馈电，而滤波天线的末阶谐振器由一个扇形辐射贴片替代并与环形开环谐振器进行缝隙耦合，由于扇形辐射贴片不仅作为二阶滤波电路的最后一阶谐振器而且还起到天线辐射的作用，使得最终实现的天线同时具有滤波和辐射的特性。滤波天线的结构图如图1.3(a)所示，反射系数和增益曲线图如图1.3(b)所示。文

29、献12中，Bo Ding等人也是利用环形开环谐振器作为初级谐振器，而末阶谐振器利用环形缝天线代替，最终滤波缝隙天线得以实现。可能由于环形谐振器的自身结构等原因，这两款实现的滤波天线都在通带的右侧边缘产生了辐射零点，所以如果在左侧边缘也可以引入辐射零点将进一步提高天线的选择性。随着滤波天线综合设计法的愈发成熟，而阵列天线又具有高增益等优点，若同时将其引入滤波的特性毋庸置疑是具有特殊意义的，所以滤波天线的综合设计法也自然而然渗透到了单频滤波阵列天线的设计中13-17。文献13中，Hao-Tao Hu等人设计了一种具有共模抑制特性的三阶切比雪夫差分滤波天线。滤波天线的三阶耦合机制首先是由线谐振器与H

30、型谐振器通过中间的接地板层开有的缝隙进行耦合，最后起到巴伦作用的H型谐振器与四个U型辐射贴片进行缝隙耦合，(a) 滤波天线结构图(b) 反射系数与增益曲线图图1.3 滤波天线的结构图及其反射系数和增益曲线图当然U型辐射贴片在作为末阶谐振器的同时也是天线的辐射体，由于采取差分信号馈电的方式最终具有共模抑制特性的滤波阵列天线被实现。文献15中，Fu-Chang Chen等人利用SLR设计了一个二阶八路功分器，使之与八阵列矩形贴片进行缝隙耦合，进而实现八单(a) 滤波天线的结构图(b) 反射系数曲线图(b) 增益曲线图图1.4 滤波天线的结构图及其反射系数和增益曲线图元的滤波阵列天线。八单元阵列滤波

31、天线的结构图和反射系数及其增益曲线图如图1.4所示。 近些年，由于滤波天线的设计热度不减，许多专家学者已经将介质天线、超表面等思想与滤波天线的综合设计方法相结合来达到实现滤波天线设计的目的20-23。综上所述，单频滤波天线综合设计的方式已经相对成熟，但是高选择性的滤波天线的设计依旧是滤波天线设计的重中之重，所以有必要研究和设计具有高选择性的滤波天线。多频段天线的研究设计一直是天线领域研究的重点，而将滤波特性与多频段特性相结合无疑是具有重要意义的29-41。其中在综合设计法中对于多频滤波天线的设计方法大多利用多模谐振器和多频天线相结合的结构实现，使之在多个频段同时具有滤波和辐射特性，当然相比于单

32、频滤波天线而言多频滤波天线设的计难度有一定的提高。在滤波器的设计中，SIR是最初在1979年被提出的一种谐振器，是利用不同特性阻抗的传输线连接实现谐振的一种结构，通过改变阻抗比和长度比，可以使SIR的高次谐波和基本谐振频率的比在一定范围内调节，克服了UIR在倍频处会出现寄生通带而影响滤波器带外特性的问题。而SIR主要研究的是第一个寄生通带与阻抗比的关系，渐渐地学者们开始利用SIR第一个寄生通带的特性进行了双频段滤波器的设计，自然而然地SIR也可以与双频天线相结合实现双频滤波天线的设计29,31,39,40。(a) 双频滤波天线的结构图(b) 双频滤波天线增益曲线图图1.5 双频滤波天线的结构图

33、及其反射系数和增益曲线图 在文献29中，Chin-Yuan Hsieh利用多层结构设计了一种具有双频特性的滤波贴片天线。该滤波天线利用最底层的两个SIR构成的二阶滤波电路通过中间接地板层的两个正交矩形槽激励顶层辐射贴片的两种简并模式，从而实现双频滤波的特性。双频滤波天线的结构图及其反射系数和增益图如图1.5所示。在文献31中，Jui-Hsien Yen等人利用SIR构成的二阶滤波电路和Y型天线相结合设计了一款平面结构的双频滤波天线，其中与T型馈电结构进行缝隙耦合的二阶滤波电路为双频滤波天线提供滤波的特性，提供辐射特性的单极子Y型双频天线与二阶滤波电路直接进行缝隙耦合，进而双频滤波天线的设计得以

34、实现。在文献39-40中也是利用SIR进行了类似双频滤波天线的设计。SIR由于其第一寄生通带的位置始终会受到阻抗比的限制，而出现的SLR谐振器对于在双频滤波天线的设计中更加受到欢迎33,35,41,因为控制SLR多模特性的主要因素是谐振器中各部分枝节的长度，这在设计应用中显然更加简单。在文献33中，Chun Xu Mao等人设计了一种具有谐波抑制特性的双频段滤波天线。该结构由一个SLR双模谐振器和一个开有U型缝隙的方形贴片通过中间接地板层的缝隙耦合实现二阶的滤波特性，方型贴片即作为最后一阶谐振器也起到双频天线的辐射作用。同时在天线的最底层通过添加不同的高次谐振模式的发夹谐振器实现高次谐波的抑制

35、作用。双频滤波天线的结构图及其反射系数和增益曲线图如图1.6所示。而在文献35,41中利用SLR结构，设计出了平面结构的双频段滤波天线。(a) 双频滤波天线的结构图(b) 反射系数及其增益曲线图图1.6双频滤波天线的结构图及其反射系数和增益曲线图对于SLR实现的双模特性后，在文献34中，Jian-Feng Qian等人在SLR结构的基础上添加短路枝节实现三模谐振器的设计，并通过多层结构与顶层的三频段的辐射贴片进行缝隙耦合。最终具有滤波特性的三频天线得以实现。三频段滤波天线的结构图及其反射系数和增益曲线图如图1.7所示。综上文献所述在综合设计方法中，双频和多频段滤波天线基本是采用SIR和多模谐振

36、器进行的设计，设计基本都采用二阶的滤波结构进行实现，选取高阶滤波环节会增大滤波带来的插入损耗，而且采用SIR结构设计多频的滤波天线各个频段之间不容易做到独立调节，并且要是两个通带边缘同时提高选择性也相对比较困难。(a) 三频段滤波天线的结构图(b) 反射系数及其增益曲线图图1.7 三频段滤波天线的结构图及其反射系数和增益曲线图1.2.2增益零点法滤波天线的第二种设计方式为增益零点法，也就是不增加额外的滤波电路，而通过在天线结构上增加一些小的电路结构，达到在某些频率辐射增益为零，实现高选择性。由于这种设计方式并没有特别固定的实现方法，所以近些年学者们提出了众多的结构，尝试使用各种方法实现高选择性

37、的滤波天线42-48。开槽和引入短路探针等方式被应用在矩形辐射贴片上进行通带边缘辐射零点的引入42-44。在文献42中，Jun Ye Jin等人利用在传统矩形微带贴片的同轴馈电点两边开一对长槽和一对短槽的方式，使得增益通带的两边同时引入一个辐射零点。而且，零点的位置可以通过调整两对槽的长短进行控制，这就在没引入额外滤波电路的前提下实现了天线具有滤波的特性，很好地提高了天线的频率选择性。滤波天线的结构图及其反射系数和增益图如图1.8所示。在文献44中，Xiu Yin Zhang等人通过在辐射贴片上开U型槽且引入三个短路探针使得在天线的增益低频带边产生两个辐射零点，而通过添加寄生贴片在提高天线增益

38、的同时在高(a) 滤波天线的结构图(b) 反射系数及其增益曲线图图1.8 滤波天线的结构图及其反射系数和增益曲线图(a) 滤波天线的结构图(b) 增益曲线图图1.9 滤波天线的结构图及其增益曲线图频带边产生一个辐射零点，使得天线同时具有辐射和滤波的特性。而且由于天线本身没有引入额外的滤波电路，所以最终实现的滤波天线具有高增益的特性，天线的相对阻抗带宽为19.6%，最大增益为10.4dBi。滤波天线的结构图及其增益曲线图如图1.9所示。许多学者已经开始利用增益零点法进行全向滤波天线的设计45-48。在文献45中，Tian Li Wu等人通过在三角形贴片上引入环型缝隙和一系列短路探针使得天线具有滤

39、波的特性。引入的环形槽和一系列短路探针使得辐射贴片产生两个谐振模式，在扩展了带宽的同时也在增益通带左侧边缘引入新的辐射零点，而且由于三角形贴片的结构特性本身在增益通带右侧边缘存在辐射零点，这就使得增益的通带两边同时具有传输零点，进而实现了天线具有滤波的特性。滤波天线的结构图及其反射系数和增益曲线图如图1.10所示。在文献46-48中，都是利用在圆形和环形辐射贴片进行全向滤波天线的设计。其中在文献46中，Peng Fei Hu等人利用混合馈电激励介质天线的方式引入交叉耦合路径产生传输零点，并且在环形贴片上引入四个短路探针，使之与内侧的环形缝隙产生LC谐振的作用(a) 滤波天线的结构图(b) 反射

40、系数曲线图(c) 增益曲线图图1.10滤波天线的结构图及其反射系数和增益曲线图产生另外的辐射零点，从而实现宽带全向滤波介质谐振天线的设计。另外，通过调整混合馈电结构中金属圆盘的位置，以及在环形贴片上再引入额外的四个短路探针和接地板上的四个矩形缝隙产生另一个辐射零点，使得实现宽带滤波介质天线转变为双频段滤波介质天线。综上文献所述，对于滤波天线设计的增益零点法中可以看出，此方法实现的滤波天线的工作频带的两个带边均有传输零点，这样的实现方式大大提高了滤波天线的选择性，由于没有额外增加滤波电路，降低了额外电路带来的损耗，这对于滤波天线的设计不失为一种好的设计方式。1.3本文的研究内容和主要贡献1.3.

41、1 本文的研究内容本文针对具有高选择性的单频及其双频滤波天线进行了研究与设计。本文内容总计将分为五章，各章节的安排内容如下：第一章是全文的绪论部分，主要对滤波天线的研究意义和研究背景进行了阐述与说明，归纳和总结了滤波天线的设计方法，阐述了滤波天线的国内外的研究现状，并介绍了本文的主要研究内容和主要贡献。第二章针对具有高选择性的单频滤波天线，设计了一款基于多耦合路径的高选择性滤波天线。通过采用多层结构将一个二阶带通滤波器的末阶谐振器用一个矩形贴片代替，并通过H型缝隙与初阶谐振器进行缝隙耦合，接着采用另一个H型缝隙增加馈源和天线之间的耦合路径，由于增添新的耦合路径使得滤波天线通带两边同时产生辐射零

42、点，极大地提高了天线的频率选择性。第三章设计了基于多模谐振器的高选择性双频滤波天线。多模谐振器的结构是通过在发夹型谐振器对称面的两边加载相同的开路枝节使谐振器具有双频多模的特性，将其与单极子双频天线进行耦合实现双频段滤波天线，由于多模谐振器从输入到输出存在两条信号传输路径，可以产生多个传输零点，使得最终实现的双频滤波天线具有很好的频率选择性。第四章设计了一款没有额外滤波电路的全向双频段滤波天线。使用中心馈电的圆形和环形辐射贴片实现全向辐射特性，通过引入短路探针和缝隙等方式，在产生新的频点拓展带宽的同时，并在通带两边引入辐射零点，进而双频段全向滤波天线得以实现。第五章对全文内容进行了简洁的总结，

43、揭示并归纳出论文中未解决的难点与不足，并对日后的研究工作进行了规划与展望。1.3.2论文的主要贡献论文的主要贡献如下：1) 设计了一种工作在WiFi频段具有高选择性的滤波天线。通过将二阶带通滤波器的最后一阶谐振器利用矩形辐射贴片代替，并增加源到负载新的耦合路径，使滤波天线增益响应具有准椭圆滤波特性，测试结果显示滤波天线中心频率工作在2.42GHz,在反射系数-10dB的阻抗带宽为4.5%，带边两个辐射零点分别位于2.2GHz和2.7GHz。2） 设计了一款具有高选择性的双频滤波天线。首先设计具有双频多模的特性的多模谐振器，将其与单极子双频天线进行耦合实现双频段滤波天线，由于多模谐振器从输入到输

44、出存在两条信号传输路径，可以产生多个传输零点，使得最终实现的双频滤波天线具有很好的频率选择性。最终测试结果显示本章所设计的双频滤波天线具备良好的频率选择性，最终双频滤波天线的两个工作频段分别工作在2.32GHz-2.42G和3.32GHz-3.44GHz，相对应工作频段带内增益分别为0.8dBi和1dBi。3）设计了一款具有全向辐射特性的双频滤波天线。全向双频段滤波天线的设计采取圆形和环形辐射贴片实现全向的辐射特性，利用短路针和开槽相结合的方式在不引入额外的滤波电路及其不影响全向辐射特性的同时在天线中引入辐射零点来实现天线的高选择性。最终实现的双频全向滤波天线在低频工作通带相对带宽达到近8.4

45、%（2.17GHz-2.36GHz），在高频工作频段相对带宽可以达到19.4%（4.56Hz-5.54GHz），低频通带的最大增益可以达到4dBi,而高频通带内的最大增益达到7dBi。13第二章 基于交叉耦合的高选择性滤波天线2.1 引言在滤波天线中，如果在通带两边分别增加辐射零点，可以有效的提高滤波天线的选择性，而且辐射零点的位置越靠近通带的边缘，天线的选择性就更好。在滤波天线的综合设计方法中，滤波天线的辐射零点基本都是依靠滤波电路产生传输零点来实现的，而为了使滤波电路产生传输零点去提高滤波天线的选择性总会或多或少增加天线的复杂度和电路损耗，如果同时将滤波电路与天线结合在一起考虑辐射零点的引

46、入，无疑将大大简化滤波天线的结构设计。所以如果将滤波器的交叉耦合理念引入到滤波天线的设计方法中，将可能实现上述提到的设想，而将交叉耦合理论引入到滤波天线的设计中最根本的思想是如何在馈源与天线间引入另外一条耦合路径。本章基于上述的思想，设计了一款具有高选择性的滤波天线。首先根据滤波器的经典设计理论，设计了一个基于四分之一波长微带线的二阶带通滤波器，用矩形贴片替代滤波器的最后一阶谐振器，将滤波器的第一阶谐振器和矩形贴片蚀刻在两层介质的正反面，并且两层介质共用同一接地板，在接地板上引入两个缝隙，一个缝隙实现滤波器谐振器和贴片之间的耦合，另外一个缝隙实现馈源和贴片之间的耦合，由于引入交叉耦合路径使得天

47、线增益带边产生了辐射零点，极大地提高了天线的带边选择性。2.2基于J/K变换器的带通滤波器2.2.1 J/K变换器理论对于低通原型滤波器而言既含有电容C又包含有电感L，在微波频段不容易实现，通常把LC的低通原型变换为只有一种电抗元件的低通原型。其方法是在电路中通过插入导纳转换器和阻抗转换器。理想的阻抗转换器是在整个频段内具有一致特性的二端口网络，如图2.1(a)所示。如果其中一个端口接有的阻抗为Z2的负载，则从另外一个端口看到阻抗为： (2.1)其中，K为阻抗变换器的特性阻抗。当Z2为电感(电容)时，Z1将变换为电容(电感), 因此阻抗转换器有90的相移或其奇数倍的相移。同理，理想的导纳转换器是在整个频段内具有一致特性的二端口网络，如图2.1(b)所示，如果其中一个端口接有的导纳为Y2的负载，则从另外一个端口看到导纳为： (2.2)其中，