多频基站天线系统以及大规模有源MIMO天线系统需要在有限空间内集成几十乃至上百个射频收发信机(即射频通道)及天线单元,使用大量有源及无源射频器件,如滤波器与天线。一方面,由滤波器电路带来的插入损耗和互连传输损耗将严重影响射频前端电路的整体效率;另一方面,在有限尺寸内大规模密集组阵势必增加各天线单元之间耦合。针对这个问题,本论文提出了滤波器与天线的协同融合设计理论与方法,设计自身具备工作频带内高效辐射、工作频带外辐射有效抑制的辐射特性的滤波天线,并利用其滤波辐射响应的特性来降低异频子阵列间相互耦合,拓展其在多频基站天线阵列中的应用。此外,还设计了同时具备滤波器和天线功能的多端口多功能射频器件,以上技术的拓展可有效的提高大规模MIMO阵列的集成度及降低功耗。本文的主要研究内容如下:(1)根据不同的应用场景,针对单极化、双极化、单频、双频滤波天线融合设计开展了研究,设计了一系列基于植入滤波电路的滤波天线,即将辐射天线视为双端口电路的输出端口,在天线的馈电网络引入非辐射谐振单元,根据双端口网络分析及传输线理论,得出双端口网络的等效电路并提取传输函数表达式;通过构造特定的电路拓扑结构,调控等效电路传输函数的零值点,在通带的高低频边带各引入一个频率可控的传输零点,实现带通滤波响应;由于在传输零点对应的频率上,信号由于无法从输入端口传送到辐射单元,从而实现良好的带外辐射抑制效果。(2)提出了一种无需任何滤波电路结构的单、双频滤波天线设计,此设计与传统的滤波天线设计方法不同,无需在辐射单元或者馈电网络中添加任何寄生非辐射谐振结构或滤波电路,仅靠末端开路的传输线就能在天线中融合滤波辐射响应,从而实现带内高效辐射,带外辐射有效抑制的滤波效果。据此原理,分别设计了单频、双频滤波天线阵列,测试结果与仿真一致。(3)提出利用滤波天线单元降低多频基站天线阵列间相互耦合的方法,并设计了一款采用滤波天线作为基本单元的双频滤波天线阵列。设计了工作频段分别覆盖1710-1880 MHz和1920-2170 MHz的滤波天线单元,并将其作为基本单元组成两个异频子阵列。滤波天线无需额外滤波电路,自身具备工作频段内高效辐射,工作频段外辐射有效抑制的特点,因此该双频滤波天线阵列无需双工器也能实现良好的端口隔离。实验数据显示,与传统的天线单元相比,采用滤波天线作为阵列单元,在相同的小间距布阵情况下,不同子阵列间的端口隔离度提升5-7 dB。(4)在集成多功能的射频器件研究方面,提出了两款同时具备滤波器和天线功能的多端口器件。首先,设计了一款双端口器件,新颖的馈电网络不仅自身构成一个二阶带通滤波滤波器,且在天线工作的频段内作为馈电部分高效激励双极化电磁偶极子天线辐射。在馈电网络中设计了自耦合环形枝节线,同时使天线和滤波器均具备良好的频率选择性。其次,设计了一款六端口器件,四个端口为工作在频段4.5 GHz的MIMO天线阵列的输入端口,具备27.3%的工作带宽和±45°的波束扫描角范围;另外两个端口为四阶滤波器的输入输出端口,具备15.6%的带宽和带通滤波响应。