一种3D打印的高次模带通滤波扭波导_王文军.pdf

=DOI:1013290/jcnkibdtjs202303003March2023Semiconductor Technology Vol48 No3199一种 3D 打印的高次模带通滤波扭波导王文军1，张翊2，徐军2(1 中国电子科技集团公司 第十三研究所，石家庄050051;2 电子科技大学 物理学院，成都611730)摘要:为了满足微波电路小型化、集成化的需求，提出了一种基于高次模的滤波扭波导。该滤波扭波导能同时实现带通滤波响应和极化旋转，其谐振单元采用基于 TE102模的椭圆柱谐振器，获得了更高的无载 Q 值，降低了对加工误差的敏感度。考虑到该扭波导不规则的几何结构，采用非金属 3D 打印技术制备并将其表面金属化，与对应的铜制元件相比，该元件质量显著减轻。设计的滤波扭波导的中心频率为 15 GHz，通带宽度为 300 MHz，回波损耗为 20 dB，测试和仿真结果具有较好的一致性。该滤波扭波导可有效减小元件体积，减小多器件级联的额外损耗。关键词:滤波器;扭波导;3D 打印;一体制造;高次模中图分类号:TN62;TN713.5文献标识码:A文章编号:1003353X(2023)03019905A 3D Printed High-Order Mode Twist with Bandpass Filtering ResponseWang Wenjun1，Zhang Yi2，Xu Jun2(1 The 13thResearch Institute，CETC，Shijiazhuang 050051，China;2 School of Physics，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611730，China)Abstract:For the requirement of miniaturization and integration of microwave circuits，a filteringtwist based on high order mode was proposed The filtering twist provides the bandpass filtering responseand polarization rotation simultaneously Elliptical cylinder resonators operating in TE102mode was em-ployed to obtain a higher unload quality factor and a better fabrication tolerance Considering the geo-metric complexibility，the twist was fabricated by using non-metallic 3D printing followed by metallizationof the surface Compared with a copper one，the 3D printed filtering twist is substantially lighter Thefiltering twist with a center frequency of 15 GHz，a bandwidth of 300 MHz and a return loss of 20 dB wasdesigned The measurement and simulation results have good consistency The design of the filtering twistreduces the size of the component and eliminates additional losses caused by multiple cascaded devicesarchitectureKeywords:filter;twist;3D printing;integrated manufacturing;high-order modeEEACC:1320;1270D0引言当前通信系统正朝着越来越复杂的架构发展，以获得更优良的射频性能从而满足各种应用场景的需求。随着微波设备复杂程度的不断增加，不可避免地增大了微波系统的体积。在这种背景下，微波系统小型化成为当前微波技术发展的重要方向。近年来，将几个独立的微波器件协同设计为单一器件以减小体积的方案得到了广泛关注，通过这种方法，传统微波系统中级联的各个组件可以被设计制造成单一的多功能器件。这种集成设计的方法从根本上减小了质量、体积和成本，避免了对不同部件进行后组装，并降低了因为多个器件级联而带来的额外损耗。在这种思路下，一些集成的多功能器件王文军等:一种 3D 打印的高次模带通滤波扭波导=200半导体技术第 48 卷第 3 期2023 年 3 月得到了充分的发展12。扭波导是许多无线通信系统中必不可少的互连部件，其基本功能是通过将波导内传播的电磁波的极化方向旋转一定的角度以连接两个旋转错位的端口。通常商用的扭波导加工制造工艺复杂且耗时，如采用电铸工艺制造连续、平滑旋转的扭波导以保证良好的匹配和宽带工作。然而这些传统的加工方式并不适用于制造滤波扭波导，要在扭波导中实现滤波功能，需要在扭曲渐变的波导腔体中嵌入谐振器和耦合窗，这种不规则且相对封闭的几何结构很难采用传统减材加工工艺实现。3D 打印机利用金属颗粒或者树脂粉末等材料，通过逐层烧结固化的方法构造三维实体，可实现样品的快速成型，能给予模型加工更多的加工自由度。使用 3D 打印制造波导滤波器、功分器、天线等微波元件已成为非常流行的制造方法。3D 打印技术除了能加工复杂结构的新型元件，还具有如文献35 中展示的优异的表面光滑度和高分辨率。将不同功能的元件进行协同设计，并制造了一种基于 TE102模椭圆柱谐振器的滤波扭波导。该设计充分利用了 3D 打印技术的加工自由度，在 Ku波段波导中融合了带通滤波与极化旋转两种射频功能。该滤波扭波导中心频率为 15 GHz，带宽为300 MHz，回波损耗为 20 dB。采用低成本的立体光固化成型(SLA)3D 打印技术进行一体制造，并通过电镀使其表面金属化，以获得和金属加工件相同的射频性能。1滤波扭波导设计1.1谐振器设计首先进行谐振器的选择与分析。表 1 给出了几种常用谐振器在 15 GHz 的几个关键指标的比较。4个谐振器的无载品质因数(Q 值)都是以铜为边界在 CST 仿真软件中计算得到的，铜电导率为5.96107S/m。如表 1 所示，谐振于 TE102模式的椭圆柱谐振器在 15 GHz 时的无载 Q 值为 8 664，而传统的 TE101模矩形波导谐振器在该频率的无载Q 值为 6 927。椭圆柱谐振器的体积相对于工作于相同模式的标准矩形波导谐振器的体积并没有增加，而无载 Q 值却增加了，这说明椭圆柱谐振器在降低滤波器插入损耗和小型化方面有着独特的优势。如图 1 所示，椭圆柱谐振器具有和传统矩形波导相似的电磁场分布。表 1四种类型波导谐振器比较Tab.1Comparison of four types of waveguide resonators谐振器尺寸/(mmmmmm)体积/mm3无载 Q 值TE101模矩形波导谐振器15.7997.89912.9001 6096 927TE102模矩形波导谐振器15.7997.89925.8003 2198 355TE101模椭圆柱波导谐振器15.7997.89914.0401 5637 461TE102模椭圆柱波导谐振器15.7997.89928.1003 1298 664电场强度/(V m-1)5.6 8 1 080zyxO磁场强度/(A m-1)1.1 7 1 060zyxO(a)电场分布(b)磁场分布图 1椭圆柱谐振器中的电磁场分布Fig.1Electromagneticfielddistributionsinellipticalcylinder resonator3D 打印是通过逐层打印切片建立三维几何体的一项增材制造技术。每一层切片都在水平面上进行打印，几何体沿着垂直方向逐层建立。这个过程必须遵循一个要求，即相邻切片打印层的形状不能快速变化。否则，必须采用额外的支撑结构来保证打印几何形体的稳固。如果这些支撑结构处在封闭腔内则很难在后处理过程中被完全去除。本文提出的椭圆柱波导谐振器在波导内壁上有更平滑的过渡，能较好地满足 3D 打印技术对打印物体形状的要求。同时，结合改变打印波导元件方向的方法，可以避免在波导内部建立支撑结构，而外部支撑结构可以在后处理中被轻易去除。同时，相比主模 TE101椭圆柱谐振器，高次模TE102椭圆柱谐振器具有更大的体积和更高的无载 Q王文军等:一种 3D 打印的高次模带通滤波扭波导=March2023Semiconductor Technology Vol48 No3201值，而更大的体积可以降低滤波扭波导对加工误差的敏感度，也更容易制造6。因此，本文采用高次模 TE102椭圆柱谐振器构建滤波扭波导。1.2滤波扭波导设计图 2 为本文提出的 Ku 波段滤波扭波导的三维结构。该滤波扭波导由 3 个具有相同旋转角度的TE102椭圆柱波导谐振器和输入、输出波导组成，相邻谐振器间的旋转角度均为 22.5。每个谐振器的横截面高度和宽度与输入/输出的标准波导 WR62 的横截面相同。2 个位于馈电波导端口的标准UBR 140 法兰和滤波扭波导一起被一体制造以方便该扭波导的测量。如图 2 所示，滤波扭波导的波导壁上加工有一些矩形窄缝，以便在金属化阶段电镀液可以流畅地流入谐振器内部并充分与波导内壁结合，从而无需将滤波扭波导分块制造。值得注意的是，这些矩形窄缝是根据谐振器工作于 TE102模式的表面电流分布与方向设计的，以避免这些缝切割电流，并最大限度地减小这些缝引起的辐射损耗。标准U B R1 4 0 法兰标准波导WR-6 2矩形窄缝谐振器1谐振器2谐振器3图 2Ku 波段滤波扭波导三维结构Fig.23D structure of the Ku band filtering twist滤波扭波导对应的归一化耦合矩阵 m 和外部Q 值 Qe分别为7 m=01.082 41.082 401.030 31.030 301.030 31.030 301.082 41.082 40(1)Qe=1m2s1FBW=42.67(2)式中:ms1为源到第一个谐振器输入耦合;FBW 为滤波器的相对带宽。椭圆柱波导谐振器的谐振频率初值可以近似用标准的矩形波导谐振器谐振频率公式来确定。对于一个 矩 形 波 导 谐 振 器，其 TE 模 的 谐 振 频 率fTEmnp为7 fTEmnp=c2rrma()2+nb()2+pl()2(3)式中:m、n、p 分别表示沿 x、y、z 方向的模式指数;r和 r分别为相对磁导率和相对电导率;c 为真空中的光速;a、b、l 分别为谐振器的宽度、高度、长度。椭圆柱滤波扭波导谐振器之间所需的内部耦合强度 M 和 Qe可以用文献 7 中的方法提取，即Mi，j=f21f22f21+f22(4)Qe=f0S11(f0)/2(5)式中:f1、f2分别为 2 个相互耦合的谐振器 i 和谐振器 j 耦合时的奇模谐振频率和偶模谐振频率;f0为谐振器的谐振频率;S11(f0)为群时延的最大值。图 3 为本文滤波扭波导的空气腔仿真模型，通过在商业电磁仿真软件 CST 中进行仿真优化，该滤波扭波导仿真优化后的关键尺寸为:a=15.799 mm，b=7.899 mm，ws=w1=10.05 mm，w1=w2=7.75 mm，l1=l3=24.72 mm，l2=26.30 mm。abl1wsw1l2w2l3wlba图 3滤波扭波导空气腔仿真模型及关键尺寸Fig.3Air box model