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 of the filtering twist with critical dimensions2制造与测试本文滤波扭波导采用立体光固化成型技术的3D 打印工艺制造，打印分辨率为 0.1 mm。SLA 技术具有优异的表面光滑度和高分辨率，在波导加工方面具有独特的优势。滤波器实体采用不导电的光敏树脂作为原材料逐层固化打印。由于本设计中滤波扭波导的结构具有自支撑的特点，因此不需要在滤波扭波导内部加入支撑结构。滤波扭波导外部的支撑结构可以在后期处理时被轻易去除。由于使用SLA 树脂打印的微波波导元件不导电从而无法工作，因此，对非金属表面进行金属化是 SLA 加工微波波导元件过程中不可忽略的一个步骤。在滤波器中心频率15 GHz 下，铜的趋肤深度约为0.53 m。王文军等:一种 3D 打印的高次模带通滤波扭波导=202半导体技术第 48 卷第 3 期2023 年 3 月滤波扭波导通过 3D 打印完成后，在滤波扭波导表面镀一层 10 m 厚的铜层。由于铜层的厚度远大于该频率下电磁波在铜中的趋肤深度，因此该非金属元件具有和金属元件相同的射频性能。并且，在滤波扭波导模型的设计仿真过程中，还对铜层厚度进行了尺寸补偿，以使滤波扭波导的实际测试性能与仿真结果的差距更小。图 4 中分别展示了滤波扭波导镀铜前和镀铜后的照片。(a)镀铜前(b)镀铜后图 4滤波扭波导实物照片Fig.4Photographs of the filtering twist0-1 0-2 0-3 0-4 0-5 0-6 01 31 41 51 61 7频率/G H zS 参数/d B仿真 S1 1仿真 S2 1测试 S1 1测试 S2 10-0.5-1.0-1.5-2.0-2.5-3.01 4.51 5.01 5.5频率/G H zS 参数/d B仿真 S1 1仿真 S2 1测试 S1 1测试 S2 1(a)宽带响应(b)通带响应图 5滤波扭波导的频率响应仿真与测试结果Fig.5Simulated and measured frequency response of thefiltering twist采用安捷伦 E8363B 网络分析仪对该滤波扭波导的频率响应进行测试。图 5 为滤波扭波导的频率响应仿真与测试结果。从图 5 中可以看出，相较于仿真 结 果，测 得 的 中 心 频 率 向 高 频 偏 移 了 约78 MHz，通带宽度减小了约 30 MHz。实测的通带插入损耗平均约为 0.56 dB，而仿真结果仅为0.173 dB。仿真的回波损耗为 20 dB，而测试的通带内回波损耗优于 15 dB。实测的回波损耗和插入损耗的增加可以归因于以下几个因素及其共同作用:滤波扭波导在 3D 打印固化过程中和电镀流程中有一定的变形，谐振器及耦合窗尺寸的改变会导致滤波扭波导选频性能的改变;测试滤波扭波导时，滤波扭波导输入、输出端口与矢量网络分析仪的连接有轻微错位;由于电镀材料导致的电镀表面粗糙和表面导电率不高导致金属损耗增加，或由于电镀金属铜层产生了起皮、漏镀等现象，导致能量泄漏而增加了损耗。性能的恶化可以通过重复加工来解决。此外，由于该滤波扭波导采用非金属材料打印，滤波扭波导的整体质量只有 29.3 g，远轻于铜制的滤波扭波导。值得注意的是，该滤波扭波导使用的聚合物的工作温度不超过 60。对于涉及高温的应用场景，可以用能工作于更高温度(高达120250)的陶瓷光敏树脂来打印。表 2 给出了该滤波扭波导与其他文献中公开报道的集成带通滤波(BPF)功能的 3D 打印的多功能元件的性能比较。表 2含有带通滤波响应的 3D打印元件性能比较Tab.2Performance comparison of 3D-printed components withBPFresponse多功能元件3D 打印技术中心频率/GHz带宽/%体积/(mmmmmm)频率偏移/%巴特矩阵1 立体光刻12.541.8天线2 立体光刻342.941212130.35滤波器3 立体光刻1037630310.01滤波器4 激光熔融1030.9本文滤波扭波导立体光刻15229291000.13结论本文设计并制备了一款基于 3D 打印的 TE102模椭圆柱波导谐振器的滤波扭波导。通过将带通滤波器和扭波导协同设计，有效提高了器件空间的利用率，减小了体积。由于工作于高次模 TE102模式的椭圆柱谐振器具有更高的无载 Q 值，滤波扭波导整体具有更低的插入损耗。该滤波扭波导通过 SLA王文军等:一种 3D 打印的高次模带通滤波扭波导=March2023Semiconductor Technology Vol48 No32033D 打印工艺制造，验证了 3D 打印技术提供的机械精度和表面质量已经适用于 Ku 波段波导组件的一体制造，及其在微波波导组件的小型化方面的潜在能力。由于高次模谐振器具有更高加工容差的特点，该设计可以通过采用更高精度的 3D 打印技术，进一步扩展到毫米波甚至是太赫兹频段。参考文献:1 GRESTVOLANT V T，IGLESIAS P M，LANCASTER MJ Advanced butler matrices with integrated bandpassfilter function J IEEE Transactions on MicrowaveTheory and Technique，2015，65(10):34333444 2 HE X，ZHANG Y，DU M，et al Lightweight and com-pact high-gain filtering aperture antenna fabricated bythree-dimensionalprintingtechnologyJ IEEEAntennas and Wireless Propagation Letters，2018，17(7):11411144 3 GUO C，SHANG X B，DU M，et al A lightweight 3-Dprinted X-band bandpass filter based on spherical dual-mode resonators J IEEE Microwave and WirelessComponents Letters，2016，26(8):568570 4 LI J，LI S，HUANG 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合肥230026”“School of Nano-Tech and Nano-Bionics，University of Science and Technology of China，Hefei230026，China”，特此声明。半导体技术编辑部