基于介质谐振器的滤波天线融合设计理论与技术研究

The multi-channel (MC) Massive MIMO is one of the most important key technologies to improve the data transmission rate of 5G system. Meanwhile, due to the coexistence of multi-standard communication systems and the limitation of spectrum resources, the multi-frequency multi-mode (MFMM) is also becoming the inevitable evolution trend of mobile networks. In a MC or MFMM system, a number of filtering circuits are needed to eliminate the interferences between different bands and modes. Obviously, the use of discrete components will inevitably degrade the integration level of the module, increase the size of the system, and deteriorate the system performance significantly because of the severe insertion loss. Therefore, it is of great significance to investigate the fusion design of filtering antennas. Both of the dielectric resonator filter and dielectric resonator antenna have gained extensive attention due to their advantages of small size and low loss. However, thus far, most of the studies were independently carried on them, and very little attention has been paid to the fusion design. This project will focus on the research to integrate the functions of radiating and filtering into a single DR element, then to realize compact, versatile filtering antennas with high performances and low losses. The fusion design concept will also be extended to design the dielectric resonator filtering arrays and self-duplex antennas. The work of this project aims to solve the issues that caused by the traditional discrete components, such as big volume and high insertion loss. It is expected to generate original research results, and provide technical support for the development of 5G wireless communication.

多通道MIMO技术是提高5G网络传输速率的重要关键技术。与此同时，由于多制式共存和频谱资源受限等原因，多频多模也成为移动网络演进的必然趋势。在多通道或多频多模系统中，为了抑制不同频率、模式之间的干扰，一般需要大量的滤波电路。如果采用分立元件，将极大降低模块集成度、增大系统尺寸，并且由于插损等原因严重影响系统整体性能。因此，研究滤波天线的融合设计具有重要的实际意义。介质滤波器和介质谐振天线具有尺寸小、损耗低等优点，在微波毫米波领域均备受关注，但是长期以来对它们的研究设计都是独立进行，很少有工作考察滤波与天线功能的融合。本项目着力研究将滤波、能量辐射等功能融合在单个介质谐振器中的综合理论方法，旨在实现小型化、低损耗、高性能的介质谐振滤波天线，并进一步拓展至滤波阵列及自双工天线，解决无线通信系统中传统分立器件体积大、插损高等问题。该课题有望产生原创性研究成果，为下一代移动通信的发展提供技术支撑。

本项目总体按原计划进行，在完成“基于介质谐振器的滤波天线融合设计理论与技术”原定研究计划的同时，还引申出部分相关扩展研究，将滤波天线融合设计理论与方法拓展到贴片天线及阵列设计上。具体地，1）深入研究了介质谐振器天线谐振模式、场分布、辐射特性以及特征模分析方法中模式追踪等相关基础问题；2）系统研究了滤波天线综合设计理论与技术，在理论与方法上：提出滤波天线融合设计方法，通过在天线通带边缘引入辐射零点来集成滤波功能，无需额外滤波电路。在技术上：从辐射体谐振模式与激励方式两方面着手，系统地建立了一整套滤波功能融合技术，包括非辐射谐振模式、混合馈电激励、馈线传输零点等。在设计上：基于上述理论与技术实现了系列介质谐振器、贴片滤波天线单元及阵列，在提高系统集成度的同时可用于减小不同频段天线之间的耦合，并缓解由此带来的方向图畸变，为实现高集成多频基站天线提供有效解决方案，具有重要的学术意义和应用价值。.共发表SCI论文27篇，其中20篇发表在天线领域TOP期刊IEEE Transactions on Antennas and Propagation（IEEE TAP）上。此外，在IEEE CAMA、ICMMT、APMC等国际知名会议上发表EI检索论文4篇。相关成果授权美国专利1件，另申请美国专利1件、PCT国际专利2件、中国发明专利6件。四年来课题组成员参加国际国内会议20人次，作邀请报告7次；依托该项目培养博士研究生2名、硕士研究生5名，分别受聘于中山大学、广州大学、华为、TP-link等单位；项目负责人潘咏梅教授在此期间获IEEE天线与传播协会Lot Shafai职业中期杰出成就奖（首位华人获奖者）及广东省科学技术奖技术发明奖一等奖；获批国家自然科学基金优秀青年基金项目、面上项目以及国家重点研发计划课题各1项；2020/2021/2022连续3年获天线领域权威期刊IEEE TAP的优秀副主编（Associate Editor）并于2022年10月任期刊区域主编（Track Editor）；此外，多次担任国际会议如CAMA、APMC、ICMMT的技术程序委员会共同主席、评奖委员会共同主席等。