天线、滤波器、双工器和功率合成器等射频器件,在射频前端系统中具有重要作用。这些单个器件的研究与发展经历了数十年,无论是在滤波器的插入损耗,带外抑制,频率选择性的表现上,还是在功率放大器的合成效率上,或者是在单个天线的小型化设计上,都趋向于瓶颈。因此,如何进一步降低整个射频前端系统的损耗与尺寸成为一个难题。针对这个问题,本论文提出了多功能天线的融合设计理念,利用天线“额外”的潜在性能,研究了集成滤波/功率合成的多功能天线单元,并设计了两款基于滤波天线阵子的双频天线单元及其阵列,两款基于多端口馈电的功率合成天线单元,这些天线无需额外的电路网络,自身具有滤波效果或者功率合成效果,实现了射频前端的小型化和低损耗。具体的研究内容如下:(1)在集成滤波响应的多功能天线设计方面,首先设计了一款具有高选择性的双低频双极化基站天线阵列,该设计针对国际上常用的两个临近的频谱资源(790-862 MHz&880-960 MHz)来展开研究。由于这两个频段间隔很小,当这两个频段的天线阵列靠的较近时,它们之间的耦合将非常强,导致通信质量下降。工业上常用的方法是将两个频段的阵列分开设计,但是这两个阵列之间的距离必须足够大才能满足所需的隔离度要求,而较大的阵列尺寸又将导致昂贵的基站架设成本。本论文提出了利用具有高选择性的滤波天线来降低两个临近频段之间的耦合问题,无需额外的双工器,在共口径的小尺寸下实现了较高的隔离度。基于该方案设计的双频双极化天线阵列,与天线巨头公司KATHREIN同款天线比较,整个地板尺寸减小了50%以上。此外,基于滤波天线的去耦合机理,还设计了一款应用于4G LTE(2.5-2.7 GHz)和5G(3.3-3.8 GHz)频段的双频双极化天线单元,相比于前面提出的双低频设计,这两个滤波天线具有更好的带外抑制效果,更紧凑的尺寸,两个工作频段内所有端口之间的隔离度均高于27 dB。(2)在集成功率合成的多功能天线设计方面,首先研究了一款在任意端口数目和馈电位置的情况下,可以实现相同匹配带宽和辐射增益的贴片天线。这种多个端口馈电的天线可以直接连接多个放大器,无需额外的功率合成器就可以实现功率合成。而传统的功率合成方法是将多个放大器并联设计,再用功率合成器进行合成,这样会引入额外的合成器损耗。这种任意馈电端口数目和馈电位置的多端口天线在实际应用中具有诸多优点,例如在芯片馈电端口的数目与位置固定的情况下,可以避免很多布线困难的问题,便于封装天线的集成设计。进一步地,基于多端口天线功率合成的机理,设计了一款具有六种极化状态的四端口贴片天线。无需额外的极化控制网络和匹配电路,通过对该四端口天线的S参数进行计算与分析,从理论上证明了该天线在六种极化状态下都可以实现相同的阻抗匹配带宽。为了验证功率合成效果,将所设计的四端口天线直接与四个相同的功率放大器级联,其中每个功率放大器的输出相位相差90度,测试结果显示,级联放大器之后的天线增益与单个无源天线增益和功率放大器增益叠加后的数值基本一致,并且级联放大器后测试的天线轴比与辐射方向图都很稳定,这说明提出的四端口天线在没有功率合成器的情况下实现了较好的功率合成效果。