CN112823445A - 适用于增材制造方法的波导滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种波导滤波器(1)，该波导滤波器(1)具有芯(3)，该芯(3)包括外部面(12)和内部面(7、8、9)，该内部面(7、8、9)限定了用于滤波和引导波的通道(2)。通道(2)包括多个槽(6)，每个槽具有第一面(7)和第二面(8)。第一面(7)相对于第二面(8)倾斜。本发明还涉及用于制造波导滤波器(1)的方法。

Description

适用于增材制造方法的波导滤波器

技术领域

本发明涉及波导装置、并且更特别地涉及适用于增材制造方法的波导滤波器。本发明还涉及用于这种滤波器的增材制造的方法。

背景技术

射频(RF)信号可以在空间中或在波导设备中传播。波导滤波器是用于在频域中操纵RF信号的波导设备。微波滤波器的使用示例具体地在卫星通信中找到。

存在各种各样的不同类型的波导滤波器。例如，波纹状的波导滤波器——也称为脊形波导滤波器——包括具有一定数量的脊部或齿的通道，其周期性地减小波导的内部高度。它们用于同时需要宽通带、通带的良好匹配以及宽阻带的应用中。它基本上涉及低通模型，这与通常为带通型的大多数其他形式相反。齿之间的距离比其他类型的滤波器的各元件之间的典型距离λ/4短得多。

文献US 5600740描述了一种带通波导滤波器，该带通波导滤波器的通道设置有正弦波状的波纹部，该波纹部在某一点处具有突然的相位变化。波纹部是通过将金属沉积到光滑的芯上而产生的，这限制了波纹部在给定的时间和沉积成本下可以达到的最大高度。制造芯也很复杂。

文献US 2014/266961描述了一种波导滤波器，该波导滤波器设置有具有恒定厚度的壁。通道部段沿波的传播路径改变大小，从而允许对传输功能进行滤波或应用于该波。由金属制造这种单件式波导是复杂的。

文献US2010/308938描述了一种低通波导滤波器，对于该低通波导滤波器，具有基本恒定厚度的壁包括具有可变高度的振荡，以用于对信号进行滤波并拒绝不同的频带。由金属制造这样的波导也是非常复杂的。

在2007年10月9日的欧洲微波会议XP031191735中刊登的阿内多(ARNEDO)等人的“卫星输出多路复用器电源滤波器中的杂散去除”中描述了另一种波导，对于该波导，具有基本恒定厚度的壁会形成振荡。制造该波导需要由激光切割、电铸、电沉积和酸蚀刻组成的众多步骤。

FR 2889358是波导滤波器的另一示例，该波导滤波器具有呈波纹状且厚度恒定的壁。该文献没有描述如何能够制造这种形状复杂的滤波器。

上述由导电材料制成的波导可以例如通过挤制、折叠、切割、电铸来制造。使用这些常规的制造方法来制造具有复杂截面的波导、特别是脊形波导滤波器是困难且昂贵的。

然而，最近的工作证明了使用增材制造方法生产包括滤波器在内的波导的可能性。特别地，以导电材料形成的波导的增材制造是已知的。

还已经提出了一种波导，其包括由非导电材料、比如聚合物或陶瓷制成的壁，该壁使用增材方法制造，然后用金属镀层覆盖。例如，US 2012/00849提出通过3D打印来生产波导。为此，使用增材方法打印由非导电的塑料制成的芯，然后通过电沉积覆盖金属镀层。实际上，波导的内部表面必须是导电的以便于运行。

通过3D打印制造波导的方法的另一示例在2019年1月4日的微波理论与技术汇刊XP011712909中刊登的沈(SHEN)等人的“使用数字光处理进行复杂毫米波波导结构的增材制造”中进行了描述，其中描述了通过增材制造打印形状复杂的波导的信息。

非导电的芯的使用一方面可以减少设备的重量和成本，另一方面可以实现适用于聚合物或陶瓷的3D打印方法，并允许以最小的壁面粗糙度生产高精度零件。

波导在现有技术中也是已知的，其包括通过3D打印产生的金属芯；在这种情况下，增材制造尤其在可产生的形状方面提供了很大的自由度。

通常使用平行于滤波器横截面的连续层进行增材制造，因此在打印期间穿过波导的开口的纵向轴线是竖向的。这种布置保证了开口的形状，并且避免了在沿不同方向打印的情况下、在硬化之前、随着开口的上壁塌陷而将发生的变形。

然而，一些波导滤波器、特别是具有谐振腔的波导滤波器(波纹状波导滤波器)由于其形状而难以使用增材制造方法来制造。实际上，使用增材制造方法进行制造的尝试已经表明，波导滤波器的某些部分可以是突出的，特别是波纹状波导滤波器的腔的壁或波纹状波导滤波器的齿。因此，这些突出部分在制造过程期间会在重力的作用下塌陷。

因此，在制造过程期间需要中断增材制造方法以增加支撑，从而确保待打印的结构的稳定性，这可以证明是复杂且乏味的，并且会显著影响使用增材方法制造这种类型的滤波器的速度和控制。

因此，本发明的目的是提出一种不具有上述限制的制造波导滤波器的方法，特别是提出一种能够可靠、容易且快速地制造波导滤波器的制造方法。

本发明的另一目的是提出一种更适合于增材制造方法的波导滤波器。

发明内容

根据本发明，这些目的特别地借助于一种用于制造波导滤波器的方法来实现，该方法包括：

芯的增材制造，该芯包括至少一个外部面和内部面，该内部面限定了用于滤波和引导波的通道，其中，所述内部面中的至少一个内部面包括多个槽，以便对穿过通道的波进行滤波；

将金属层沉积到芯的所述内部面上；

其中，波导滤波器的通道的纵向轴线在进行制造时是竖向定向的，因此每个槽包括在制造期间突出的上部面；

当制造芯时，所述槽的突出面是非水平的。

因此，制造的容易性既来自于特定的制造方法(纵向轴线处于竖向位置的增材制造)，也来自于槽的特定设计以便避免突出部分。

这些槽形成滤波腔或滤波部段。

槽形成在波导的芯中，然后被导电层覆盖。

测试和模拟出乎意料地显示出，具有倾斜上部面的槽的形状并不限制在给定的空间需求下生产具有任何频率响应的滤波器的可能性。换句话说，由此制造的滤波器与现有技术的滤波器同样有效。

芯的至少一个外部面有利地不具有槽。这有利于滤波器的制造，该滤波器的外部面因此至少相对于通道中的槽而不具有突出部段。如果必要的话，这还允许增强滤波器的芯，或者允许其具有根据重量和刚度约束而选择的形状，并且与通道的传输功能无关。

因此，芯的壁可以具有可变的厚度。

在一个实施方式中，两个相邻的槽通过突出到所述通道中的齿而彼此分开，所述齿包括下部面和上部面，下部面相对于上部面倾斜，并且在芯的增材制造期间，下部面相对于水平面倾斜。

当制造芯时，每个齿的下部面相对于水平面有利地形成范围在20°至80°之间、优选地在20°至40°之间的角度(α)。

齿可以是三角形的。

齿可以是梯形的。

在一个实施方式中，所述槽包括下部面和上部面，上部面相对于上部面倾斜，并且在芯的增材制造期间，上部面相对于水平面倾斜。

通道有利地具有与该通道的纵向轴线正交的正方形或矩形横截面，槽正好沿着通道的两个相对的壁布置。

沿着通道的壁布置的槽有利地与沿着通道的相对壁布置的相对槽对准。

在这种情况下，滤波器不具有轴向对称性，而仅具有平面对称性。

通道具有例如与该通道的纵向轴线正交的正方形或矩形横截面，槽沿着通道的单个壁布置。

在这种情况下，滤波器既不具有轴向对称性也不具有平面对称性。

波导滤波器可以包括沿着通道的没有槽的壁布置的脊部。

本发明还涉及通过上述方法获得的波导滤波器。

芯可以由导电材料形成。

芯可以由非导电材料形成。在这种情况下，所述内部面覆盖有金属层。

每个齿或槽的倾斜面优选地相对于正交于通道的纵向轴线的平面倾斜。

根据一个实施方式，波导滤波器在通道的单个壁上或在通道的两个相对壁的每一个壁上包括至少三个槽。

根据一个实施方式，每个槽的倾斜面是围绕通道的纵向轴线在360°上延伸的旋转面。

根据一个实施方式，通过SLM(选择性激光熔融)增材制造获得芯。

本发明的又一目的是一种波导滤波器，该波导滤波器包括芯，该芯包括至少一个外部面和内部面，该内部面限定用于滤波和引导波的通道。通道包括多个槽，每个槽包括第一面和第二面。第一面相对于第二面倾斜。

附图说明

在由附图示出的描述中提供了本发明的实施方式，在附图中：

图1示出了沿着根据本发明的一个实施方式的波导滤波器的纵向截面；

图2是图1的波导滤波器的俯视图；

图3示出了沿着根据另一实施方式的波导滤波器的纵向截面；

图4是图3的俯视图；

图5示出了沿着根据另一实施方式的波导滤波器的纵向截面；

图6是图5的俯视图；

图7示出了沿着根据另一实施方式的波导滤波器的纵向截面；

图8是图7的俯视图；

图9示出了沿着根据另一实施方式的波导滤波器的纵向截面；

图10示出了沿着根据另一实施方式的波导滤波器的纵向截面；

图11示出了沿着根据另一实施方式的波导滤波器的纵向截面；

图12示出了根据另一实施方式的波导滤波器的一部分的立体图，其被纵向切割以用于图示；以及

图13根据图12的实施方式的另一视图示出了波导滤波器的一部分的立体图，其各壁中的一个壁已经被重复以用于图示。

具体实施方式

根据图1和图2所示的实施方式的波导滤波器包括芯3，该芯3包括多个内部面7、8、9，这些内部面被金属膜4覆盖并且限定了通道2，该通道2构造成以预定的通带和操作带对电磁信号进行滤波。例如，滤波器被设计成允许通过在1GHz至80GHz数量级的频率范围内的窄通带。

芯3包括外部面12，该外部面12的形状例如类似于直棱柱，而通道2包括多个槽6或波纹部、即形成滤波部段6的腔。槽或波纹部围绕通道2径向地延伸，因此，其直径在多个纵向部段中变宽。在图1的截面中，槽6的截面呈三角形或矩形的形状。相邻的槽6在纵向上以台阶p成对地间隔开。

芯3的几何形状被确定成使得通道2的沿其纵向轴线z的各个槽6的比例、形状和位置构造为待传输或待滤波的电磁信号的频率的函数。

芯3的几何形状可以例如根据期望的滤波通带通过计算机软件来确定。被计算出的几何形状可以存储在计算机数据介质中。

使用增材制造方法制造芯3。在本申请中，表述“增材制造”表示：通过根据存储在计算机介质上的计算机数据添加材料并限定芯3的几何形状来制造芯3的任何方法。

芯3例如可以使用SLM(选择性激光熔化)类型的增材制造方法来制造。芯3也可以使用其他增材制造方法来制造，例如，特别是通过液体或粉末的硬化或凝结来制造，包括但不限于基于立体光刻、喷墨(粘结剂喷射)、DED(直接能量沉积)、EBFF(电子束自由制造)、FDM(熔融沉积建模)、PFF(无塑料成型)、通过气溶胶、BPM(弹道粒子制造)、SLS(选择性激光烧结)、ALM(附加层制造)、polyjet、EBM(电子束熔化)、光聚合等的方法。

芯3可以例如由光聚合物制成，该光聚合物在增材制造方法中使用通过紫外线辐射而硬化的液态聚合物的多个表层来制造。

芯3还可以使用SLM类型的增材制造方法由导电材料、例如金属材料形成，其中激光或电子束熔化或烧结粉末材料的多个薄层。

根据一个实施方式，通过电沉积或电铸法将金属层4以膜的形式沉积在芯3的内部面7、8、9上。金属化使得芯3的内部面被导电层覆盖。

可以在施加金属层之前进行处理芯3的内部面7、8、9的表面以促进金属层的结合的步骤。表面处理可以包括增加表面粗糙度和/或沉积中间结合层。

然而，常规的增材制造方法并不特别适合于常规的波导滤波器，特别是包括一定数量的腔6的脊形波导滤波器，这是因为这些腔的布置在通道2中产生了突出部分，在打印各种层时很难保持这些突出部分。因此，必须在增材制造过程中安装用于这些突出部分的支架，以防止这些部件在重力作用下塌陷。

根据一个方面，并且为了克服该缺点，在通道2的纵向轴线z处于竖向或至少基本上竖向的位置的情况下打印波导1。

根据另一方面，通道2的槽6被设计为便于在竖向位置进行这种增材打印。为此，波导滤波器1的通道2包括由通道2的部分9彼此分开的多个槽6。

因此，每个槽或波纹部6包括当在竖向位置中制造滤波器时突出的面。在图1的示例中，在槽6的增材制造期间，槽6的上部面7是突出的。在制造期间，槽6的第二下部面8就其本身而言在基本上垂直于通道2的纵向轴线的平面中、即水平平面中延伸。

为了允许增材打印，在竖向的制造位置中，突出的上部面7相对于下部面8并且相对于水平面倾斜。在优选的实施方式中，面7相对于第二面8形成角度α，该角度α的范围在20°至80°之间、优选地在20°至40°之间。

根据本实施方式的波导滤波器1的几何构型具有的优点是，可以在与重力相反的竖向方向上使用增材制造方法来制造芯3，而不必在制造芯3的过程期间依赖于任何用于防止芯的部分在重力作用下塌陷的支架。实际上，优选地，面7相对于水平面突出的角度α足够大以允许在打印期间堆叠的层在硬化之前粘附。

根据图1，槽6沿着通道2的两个相对的壁布置，这两个相对的壁沿着垂直于通道2的纵向轴线z的平面具有正方形或矩形的横截面。

但应注意，波导滤波器1的打印方向至关重要，并且必须按照图1所示的打印方向进行打印，这是因为在相反的方向上打印将在由面8限定的突出区域中的结构的稳定性方面产生问题。

具有上述优点的根据本发明的波导滤波器的其他几何构型在图3至图13中示出。

根据图3和图4，波导滤波器1包括芯3，该芯3具有沿其纵向轴线具有正方形或矩形横截面的通道2以及具有与图1和图2所示的实施方式相同或相似的、但仅沿通道2的四个壁中的一个壁布置的槽6。

根据图5和图6所示的实施方式，波导滤波器1与根据图3和图4的滤波器1相似，除了波导滤波器1还包括沿着通道2的与包括槽6的一侧相对的一侧布置的肋部(脊部)10或隔板。该脊部还影响在通道中传输波的模式。脊部10可以如所示示例中那样在通道2的整个长度上延伸，或者在通道的长度的一部分上延伸。其高度可以是恒定的或可变的。

还可以在通道2的除了与腔6相对的壁之外的壁上设置脊部10。还可以设置多个脊部10，例如，多个脊部被安置在通道2的不同壁上。

在图7和图8所示的另一实施方式中，波导滤波器1包括具有外部筒形形状12的芯3，其具有筒形的通道2和沿着通道2的环形的槽6。突出面7和下部面8也是环形的。

也可以制造具有椭圆形或卵形截面的波导。

根据图9所示的实施方式，波导滤波器1包括具有通道2的芯3，该通道2设置有齿13，该齿13从通道2的柱形或棱柱形的壁朝纵向轴线z径向地延伸。突出的齿的下部面7是倾斜的并且在增材制造位置、即当z轴基本竖向时相对于水平面形成角度α。角度α的范围优选地在20°至80°之间、并且优选地在20°至40°之间。齿13的上部面8在打印位置基本上是水平的。

图10所示的实施方式与图9的实施方式相似，除了齿13的上部面8也是倾斜的并且在增材制造位置、即当轴线z基本竖向时相对于水平方向形成角度α的事实。在该示例中，齿的两个面7和8相对于水平平面对称。

图9至图10的实施方式包括在截面为正方形或矩形的通道2的两个相对的壁上的齿。然而，可以仅在一个壁上设置齿13。还可以在一个或更多个其他壁上设置脊部10。齿的截面形状可以是非多边形的，例如具有圆面。最后，也可以在截面为圆形、椭圆形或卵形的通道上设置齿。

图11所示的实施方式与图5的实施方式相似，除了槽6的基部14被截去并平行于轴线z的事实。这种布置允许减小槽6的深度，并因此允许增强芯2。

图12和图13所示的实施方式与图9的实施方式相似，除了以下事实：两个没有齿的侧壁设置有脊部10，该脊部10在通道2的全部或部分长度上延伸。在图12所示的示例中，脊部在通道2的下端部之前截止，并且因此脊部的下边缘在竖向制造位置中是非水平的，以便尽管有突出部也可以进行打印。

即使根据所示实施方式的波导滤波器包括由通道2的部分9或两个齿13间隔开的三个槽6，仍可以根据期望的滤波功能来实现包括不同数量的槽或齿的滤波器。

在示例中示出的槽6和齿13具有多边形或纵向截面，例如呈三角形或梯形的形式。尽管如此，也可以考虑其他形状的槽或齿、包括例如其截面包括圆形部分(波纹部)的槽或齿。

在示例中示出的槽6和齿13分别具有高度恒定的尺寸特别是深度。尽管如此，仍可以制造具有可变深度和/或高度的槽和/或齿。此外，连续的槽或齿之间的台阶p可以是可变的。

Claims (14)

1.一种用于制造波导滤波器(1)的方法，包括：

芯(3)的增材制造，所述芯包括至少一个外部面(12)和内部面(7、8、9)，所述内部面(7、8、9)限定了用于滤波和引导波的通道(2)，所述内部面中的至少一个内部面包括多个槽(6)，以便对穿过所述通道的波进行滤波；

将金属层沉积到所述芯的所述内部面上；

其中，所述波导滤波器(1)的所述通道(2)的纵向轴线(z)在进行制造时是竖向定向的，因此每个槽(6)包括在制造期间突出的上部面(7)；

当制造所述芯时，所述槽的突出的所述面(7)是非水平的。

2.根据权利要求1所述的方法，所述至少一个外部面(12)没有槽。

3.根据权利要求1或2中的一项所述的方法，其中，两个相邻的槽(6)通过突出到所述通道(2)中的齿(13)而彼此分开，所述齿(13)包括下部面(7)和上部面(8)，所述下部面相对于所述上部面倾斜，并且在所述芯的增材制造期间，所述下部面相对于水平面倾斜。

4.根据前一权利要求所述的方法，其中，当制造所述芯时，每个突出的齿的所述下部面(7)相对于水平面形成的角度(α)的范围在20°至80°之间、优选地在20°至40°之间。

5.根据权利要求1至3中的一项所述的方法，所述槽包括下部面(7)和上部面(8)，所述上部面相对于所述上部面倾斜，并且在所述芯的增材制造期间，所述上部面相对于水平面倾斜。

6.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，所述通道(2)具有与所述通道(2)的纵向轴线(z)正交的正方形或矩形横截面，所述槽(6)正好沿着所述通道(2)的两个相对的壁布置。

7.根据前一权利要求所述的方法，其中，沿着所述通道(2)的壁布置的所述槽(6)与沿所述通道(2)的相对壁的相对槽对准。

8.根据权利要求1至5中的一项所述的方法，其中，所述通道(2)具有与所述通道(2)的纵向轴线正交的正方形或矩形横截面，所述槽(6)沿着所述通道(2)的单个壁布置。

9.根据权利要求1至8中的一项所述的方法，其中，所述波导滤波器(1)还包括至少一个脊部(10)，所述至少一个脊部(10)沿着所述通道(2)的不具有槽(6)的壁布置。

10.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，所述芯是通过选择性激光熔化增材制造获得的。

11.一种通过根据前述权利要求中的一项所述的方法获得的波导滤波器(1)。

12.根据权利要求11所述的波导滤波器(1)，其特征在于，所述芯(3)由导电材料形成。

13.根据权利要求11所述的波导滤波器(1)，其特征在于，所述芯(3)由非导电材料形成，并且所述内部面(7、8、9)被金属层(4)覆盖。

14.根据权利要求11至13中的一项所述的波导滤波器(1)，其特征在于，每个槽(6)的所述倾斜面(7)相对于所述通道(2)的纵向轴线沿正交于所述轴线的平面倾斜。

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