多频天线设计--高、低频共享孔径导致的失真问题
由于通信系统更新换代，以及新技术的开发，多频天线的应用起了关键的作用。例如为了节省成本需要在原有2/3/4G基站集成5G，在有限空间中集成cm波和mm波系统都需要多频天线技术。多频天线设计是天线工程领域的一项重要技术，它旨在通过特定的设计方法和材料选择，使天线能够在多个频段内有效工作，然而这也带来了很多问题。
多频天线设计的方法和原理 高、低频共享孔径导致的失真问题 参考文献
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多频天线设计的方法和原理
常用的多频天线设计方法
分枝法：分枝法是应用最多、也是最容易理解的一种多频实现方法。在这种方法中，天线的每个分枝对应一个工作频段，且各个分枝之间是相互独立的。这种方法在进行分频调谐时优势非常明显，因为调节一个频段时不会对其他的频段产生较大的影响。但需要注意的是，当频段超过三个或不同长度的分枝超过三个枝节时，分枝之间的互扰会变大，导致天线性能变差。
倍频法：倍频法是一个分枝实现多个频段的方法，它利用了谐波的原理。把要求的工作频段看作基波，则根据电磁学的基本理论可以知道，该信号除了在基波频段上产生谐振以外，还会引发二次谐波、三次谐波等。在单分支的天线设计中，可以通过一些结构方式合理地利用谐波特性来实现单分支结构天线的多频谐振。
寄生分枝法：寄生分枝法是通过增加一段短路的耦合枝节来产生高频谐振或拓展高频带宽的一种方式。寄生分枝直接加入后会和天线的原生分枝产生耦合效应，相当于在原生分枝和寄生分枝之间添加了一个电容。原生分枝通过耦合方式给寄生分枝馈电，寄生分枝将产生和自身结构尺寸相对应的谐振频点，从而拓展了整个天线的工作带宽。
多天线：多天线比如MIMO也是一种多频实现方法。
多频天线设计难点：
一、天线性能与尺寸的矛盾
小型化挑战
多频段性能保持
二、端口隔离度问题
共地端口隔离度差
双圆极化实现难度
三、设计复杂度、实验困难与经济成本
结构复杂度
经济成本
多频段和多模式支持：
天线测试与验证困难
共享孔径中集成多频的失真问题
在共享孔径中集成多频段基站阵列系统有望成为未来的重要发展趋势。
然而，在共享孔径天线阵列的应用中，出现了一个值得注意的问题。
当被高频段天线的辐射波激发时，低频段天线往往会产生二次辐射。这个问题会导致辐射方向图出现明显的失真，特别是在多频段天线阵列中。
原因是，从较高频段天线阵列辐射的电磁波在较低频段天线的辐射臂中感应出电流。
一些解决方法：
1、Zhu等介绍了一种由T形条带和并联LC谐振器组成的网格FSS。此网格 FSS 在低频带中表现出 stopband 属性，在高频带中表现出 Passband 属性。网格 FSS 的引入将低频天线和高频天线之间的相互耦合从 -14 减少到 -35 dB。此外，由于网格 FSS 和低频段 （LB） 天线的传输特性，HB 天线的辐射性能不受影响。
2、Y. Wang， H. Su等提出了一种基于空间滤波设计且具有阻塞抑制性能的低频段天线。设计过程包括分析滤波器的电路模型并实现一阶带通滤波响应，以改善阻塞效应。所提出的设计方法提供了一种系统的方法，可以在不影响 LB 天线辐射性能的情况下恢复辐射方向图中的失真，同时实现低剖面性能。
3、Yuxin Jia等提出一种四频共享孔径（QBSA）天线阵列，由LB天线、MB天线和HB阵列组成。阵列布置对 MB 和 HB 天线的辐射性能有影响，主要是由于阻塞效应。为了在保持集成布置的同时恢复恶化的辐射方向图，LB 天线采用了多 FSS 结构。这些结构提供了 MB 和 HB 的多频段传输窗口，促进了辐射波通过 LB 天线的传输。
引入的 multi-FSS 结构设计为彼此独立运行，从而可以单独调整传输窗口。HB 阵列由双频单元（在 HB1 和 HB2 中运行）以及 HB2 单元组成，所有单元都位于 LB 和 MB 天线的下方或周围。调整双波段单元以匹配 HB2 单元的轮廓高度，目的是减轻大规模 QBSA 阵列中的阻塞效应。最后，所提出的 QBSA 阵列有效地改变了中高频段恶化的辐射方向图，而无需额外的结构。
[1] Y. Jia, H. Zhai, J. Yin, Y. Wang and Y. Liu, "A Quadruple-Band Shared-Aperture Antenna Array With Multiband Radiation Pattern Restorations," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 72, no. 10, pp. 7722-7735, Oct. 2024, doi: 10.1109/TAP.2024.3439874.
[2] Y. Zhu, Y. Chen and S. Yang, "Cross-Band Mutual Coupling Reduction in Dual-Band Base-Station Antennas With a Novel Grid Frequency Selective Surface," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 69, no. 12, pp. 8991-8996, Dec. 2021, doi: 10.1109/TAP.2021.3098514.
[3] Y. Wang, H. Su, R. C. Dai, L. T. Chen, L. H. Ye and X. Y. Zhang, "A Systematic Approach to Design Spatial Filtenna for Aperture-Shared Base-Station Array," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 71, no. 10, pp. 7792-7803, Oct. 2023, doi: 10.1109/TAP.2023.3299409.
