高性能毫米波差分馈电滤波天线的研究

Millimeter wave technology can realize high rate and large capacity wireless data transmission by improving spectrum bandwidth, which is one of the key technologies of 5G mobile communication. The filtering antenna can effectively reduce the volume and insertion loss of the RF front-end. And the differential feeding technology can further improve the integration and the transmission efficiency of the antenna and the differential RF front-end. Therefore, the investigation on the millimeter-wave differential-fed filtering antenna array with high efficiency and high selectivity is of great significance in academic research and engineering application. This project will aim at the researches of the high performance millimeter-wave differential-fed filtering antenna array. Firstly, the proposal and analysis of novel structures to realize radiation nulls, such as physical characterization and parameters extraction etc, will be carried out. Secondly, the fusion design of high-integrated millimeter-wave differential-fed filtering antennas will been carried out based on the feeding structure and the antenna radiation structure. Thirdly, the millimeter-wave differential-fed filtering antenna arrays feature with high efficiency and high selectivity performance will be studied by using low loss millimeter-wave transmission line and compact differential-fed array configuration. This project will provide an effective solution for the realization of high efficiency and low cost millimeter-wave antenna system.

毫米波技术能够通过提升频谱带宽来实现高速率、大容量无线数据传输，是5G移动通信的关键技术之一。滤波天线可有效减小射频前端体积及插入损耗，而差分馈电技术可进一步提高天线与差分射频前端的集成度，改善传输效率。因此，开展具有高效率、高选择性的毫米波差分馈电滤波天线阵列的研究，在学术研究和工程应用方面都十分有意义。本项目围绕毫米波天线辐射增益零点实现及分析方法、高集成毫米波差分馈电滤波天线单元的融合设计、高性能差分馈电滤波天线阵列开展有关毫米波差分馈电滤波天线的研究：提出可实现天线辐射增益零点的电路原型及分析方法；从天线馈电结构和辐射结构两方面入手，结合差分馈电技术，融合设计具有宽带双极化特性的高集成毫米波差分馈电滤波天线；采用低损耗毫米波传输线和紧凑型差分馈电阵列组阵方式，研究高效率、高选择性的毫米波差分馈电滤波天线阵列。本项目的研究，将为高效率、低成本毫米波天线系统的实现提供一条有效技术途径。

差分馈电滤波天线在提高射频前端传输效率、抗干扰能力、谐波抑制能力以及集成度等方面有着明显优势。当前，相关研究主要集中在提升6 GHz以下频段的单元结构性能方面，关于应用于5G毫米波频段的应用研究较少。本课题结合5G移动通信系统对毫米波天线的性能需求，以及差分馈电滤波天线所具有的优点，开展了高性能毫米波差分馈电天线单元及阵列的研究。主要内容包括：从两方面实现了辐射增益零点的结构设计及分析：一方面，通过在天线馈电结构及辐射结构中加载谐振器的方式，设计了一系列具有优异性能的滤波天线。另一方面，结合SIW谐振腔不同谐振模式的辐射特性，对基于高次模SIW谐振腔的滤波天线单元和阵列进行了系统性的深入研究，然后采用所提出的相关结构和方法实现了宽带差分馈电双极化滤波天线、差分馈电圆极化超表面滤波天线、基于高次模SIW谐振腔的毫米波双极化差分馈电滤波天线阵列。此外，还将滤波天线应用于微波/毫米波大频比共口径天线系统中，有效改善了天线间的隔离度。完成了相关天线的建模、分析与测试。