CN115117581B - 一种基于3d打印的高无载q值的滤波功分器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于3D打印的高无载Q值的滤波功分器，其属于无线通信技术领域。其通过采用左右对称的结构实现滤波器功分的功能，同时利用多级球型谐振器折型排布增加带外抑制，提高器件的Q值，在减小现有滤波功分器体积和重量的同时，能够适应高频、低损耗、高功率容量等应用场景，具有较好的推广价值。

Description

一种基于3D打印的高无载Q值的滤波功分器
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉一种基于3D打印的高无载Q值的滤波功分器。
背景技术
随着无线通信技术的迅速发展，处理大量数据的多功能系统也得到了广泛的重视。为了实现此目标，射频电路变得越来越复杂，电路体积也随之增加。为了解决复杂电路带来的弊端，将滤波器与其他微波器件进行融合设计成为了实现系统小型化、集成化的热点。
滤波功分器，因其能够在单个电路中实现频率选择和功率分配两种功能，可以替代传统滤波器和分频器的级联设计，并在一定程度上减少器件体积的同时减小由于级联设计带来的连接损耗。现有的滤波功分器大多采用微带传输线和基片集成波导，虽然体积较小、易于集成，但是这些电路结构不适用于高频、低损耗、高功率容量等应用场景。此外，为了输出功率更大，必然希望损耗功率更小，这就希望器件具有更小的插入损耗和更大的无载Q值；而现有技术中，为了得到稳定的高功率输出系统，通常期望的是各个部件之间有更加完美的级联。
现有技术中，也有学者对滤波功分器或者滤波器进行了相应的改进。例如，YeonsuLee等人设计了一种X波段双向矩形波导功分器，其采用3D打印技术制成了波导功率分配器，但由于腔体采用的是矩形谐振器，其Q值相对而言较低，无法满足高功率输出需求；Cheng Guo等人采用3D打印技术设计了一个四阶带通滤波器，其使用两个Q值较高的球型双模谐振器，并在球型谐振器上添加了矩形孔，设计出了一个中心频率为10GHz，相对带宽3％的滤波器，虽然其滤波器的Q值较高，但是只具有滤波功能，若要实现多功能，则需要在滤波器后级联其他器件才可以实现功能的整合。
虽然以上文献中报道了一些滤波功分器，包括微带滤波功分器或者基于矩形谐振器的滤波功分器；但是这些结构的插入损耗大且Q值都较低，其滤波功分器都有一定的劣势，因此，制造具有较高Q值的滤波功分器将具有更大的价值和前景。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于3D打印的高无载Q值的滤波功分器，目的是为了在同时实现功率分配和滤波两种功能的同时减小重量、尺寸和体积，使滤波器具有更宽的阻带，降低滤波的插入损耗，以适应高频、低损耗、高功率容量等应用场景。
为实现以上技术目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于3D打印的高无载Q值的滤波功分器，其包括具有相同结构尺寸的第一波导法兰盘、第二波导法兰盘和第三波导法兰盘，第一波导法兰盘、第二波导法兰盘和第三波导法兰盘均各自具有一法兰表面，用于与该滤波功分器外部的其它器件连接；第一波导法兰盘、第二波导法兰盘和第三波导法兰盘在与各自的法兰表面相对的一侧分别连接有输入矩形波导、第一输出矩形波导和第二输出矩形波导，其中，第一波导法兰盘沿着水平方向布置，其法兰表面朝上，所述输入矩形波导的上端连接至第一波导法兰盘下侧以形成该滤波功分器的输入端，所述输入矩形波导的另一端通过第一耦合窗与第一球形谐振器上部连接，相互连接的第一波导法兰盘、输入矩形波导、第一耦合窗和第一球形谐振器均为对称结构且具有同一对称面，在对称面的左右两侧，第一球形谐振器的左右两侧分别通过第二耦合窗关于对称面对称连接设置有第二球型谐振器，两个第二球型谐振器的正下方均分别通过第三耦合窗连接第三球型谐振器，位于左侧的第三球型谐振器的左侧通过一第四耦合窗连接第一输出矩形波导，位于右侧的第三球型谐振器的右侧通过另一第四耦合窗连接第二输出矩形波导，与第一输出矩形波导相连接的第二波导法兰盘位于第一输出矩形波导左侧，两者形成为该滤波功分器的一个输出端；与第二输出矩形波导相连接的第三波导法兰盘位于第二输出矩形波导右侧，两者形成为该滤波功分器的另一个输出端；并且，第三耦合窗、第三球型谐振器、第四耦合窗均为分别关于对称面对称设置的两个，第一输出矩形波导与第二输出矩形波导之间、第二波导法兰盘与第三波导法兰盘之间均分别关于对称面对称设置。
作为优选的实施方式，第一波导法兰盘、第二波导法兰盘和第三波导法兰盘的法兰表面中部开设有中心对称的矩形开口，分别为输入端口一、输出端口二和输出端口三，所述矩形开口的截面自对应的法兰表面分别朝向输入矩形波导、第一输出矩形波导和第二输出矩形波导延伸一定深度，由此形成输入输出波导。
进一步优选的，输入端口一对应的矩形开口的宽边与所述对称面垂直，其窄边平行于所述对称面；输出端口二和输出端口三对应的矩形开口的宽边和窄边均平行于所述对称面；输入端口一对应的矩形开口的宽边分别与输出端口二和输出端口三对应的矩形开口的宽边相垂直。
优选的，第一耦合窗、第二耦合窗、第三耦合窗、第四耦合窗的横截面均为矩形截面，且每个耦合窗耦合宽边的尺寸各不相等，每个耦合窗耦合窄边的尺寸也各不相等。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
1、通过谐振器耦合实现功率分配和滤波两种功能，采用没有传输线的腔体连接，减少了尺寸和体积，采用球形腔可以提高器件的Q值，同时谐振器折型排布增加带外抑制，可以抑制球形谐振器的高次模，从而使滤波器具有更宽的阻带；
2、电镀过程中，通过圆孔的设置，使得电镀液可以均匀的分布在滤波器的内表面，减少制造工艺带来的误差，同时可以进一步减少重量，使得电镀更加均匀，提高产品的性能；
3、该波导滤波功分器具有Q值高、高功率容量、体积小等优点；与传统的微带功分器、采用矩形谐振器制作滤波器不同，该设计通过采用球型谐振器来提高Q值，通过折型排布增加带外抑制，并通过采用左右对称的结构实现功分的功能，插入损耗较低。可以在实现滤波和功分的同时，减少器件的损耗和体积。
附图说明
图1为本发明的滤波功分器的空气腔模型示意图；
图2为图1所示空气腔模型的XY平面剖视图；
图3为本发明的滤波功分器的金属模型示意图；
图4为本发明的滤波功分器的金属模型XY平面剖视图；
图5为本发明的滤波功分器的拓扑结构示意图；
图6为本发明的滤波功分器的波导标准法兰结构示意图；
图7为本发明的滤波功分器的仿真结果曲线图；
其中，1-输入端口一，2-输出端口二，3-输出端口三，001-输入矩形波导，002-第一输出矩形波导，003-第二输出矩形波导，101-第一波导法兰盘，102-第二波导法兰盘，103-第三波导法兰盘，201-第一耦合窗，202-第二耦合窗，203-第三耦合窗，204-第四耦合窗，301-第一球形谐振器，302-第二球形谐振器，303-第三球形谐振器，a-矩形波导宽边尺寸，b--矩形波导窄边尺寸，lp-矩形波导波导段尺寸，wi-第i耦合窗耦合宽边尺寸，Hi-第i耦合窗耦合窄边尺寸，Si-第i耦合窗的最短耦合距离，Rj-第j球形谐振器谐振腔半径；i为1至4的正整数，j为1至3的正整数。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案以及优点更清楚、明确，以下将结合附图与实施例，对本发明进一步详细说明。
如图1至图6所示，本发明提供了一种基于3D打印的高无载Q值的滤波功分器，其包括具有相同结构尺寸的第一波导法兰盘101、第二波导法兰盘102和第三波导法兰盘103，第一波导法兰盘101、第二波导法兰盘102和第三波导法兰盘103均各自具有一法兰表面，用于与该滤波功分器外部的其它器件连接；第一波导法兰盘101、第二波导法兰盘102和第三波导法兰盘103在与各自的法兰表面相对的一侧分别连接有输入矩形波导001、第一输出矩形波导002和第二输出矩形波导003，其中，第一波导法兰盘101沿着水平方向布置，其法兰表面朝上，所述输入矩形波导001的上端连接至第一波导法兰盘101下侧后形成为该滤波功分器的输入端，所述输入矩形波导001的另一端(即下端)通过第一耦合窗201与第一球形谐振器301上部连接，相互连接的第一波导法兰盘101、输入矩形波导001、第一耦合窗201和第一球形谐振器301均为对称结构且具有同一对称面(参见图2)，在对称面的左右两侧，第一球形谐振器301的左右两侧分别通过第二耦合窗202(一侧一个)关于对称面对称连接设置有第二球型谐振器302，两个第二球型谐振器302的正下方均分别通过第三耦合窗203连接第三球型谐振器303，位于左侧的第三球型谐振器303的左侧通过一第四耦合窗204连接第一输出矩形波导002，位于右侧的第三球型谐振器303的右侧通过另一第四耦合窗204连接第二输出矩形波导003，与第一输出矩形波导002相连接的第二波导法兰盘102位于第一输出矩形波导002左侧，两者形成为该滤波功分器的一个输出端；与第二输出矩形波导003相连接的第三波导法兰盘103位于第二输出矩形波导003右侧，两者形成为该滤波功分器的另一个输出端；并且，第三耦合窗203、第三球型谐振器303、第四耦合窗204均分别为关于对称面对称设置的两个，第一输出矩形波导002与第二输出矩形波导003之间、第二波导法兰盘102与第三波导法兰盘103之间均分别关于对称面对称设置。
作为优选的实施方式，第一波导法兰盘101、第二波导法兰盘102和第三波导法兰盘103的法兰表面中部开设有中心对称的矩形开口(如图6所示)，分别为输入端口一1，输出端口二2和输出端口三3，所述矩形开口的截面自对应的法兰表面分别朝向输入矩形波导001、第一输出矩形波导002和第二输出矩形波导003延伸一定深度(矩形波导波导段尺寸lp)，由此形成输入输出波导(矩形开口的宽边即对应为矩形波导宽边尺寸a，矩形开口的窄边即对应为矩形波导窄边尺寸b)。第二波导法兰盘102和第三波导法兰盘103的法兰表面垂直于水平面。
进一步优选的，输入端口一1对应的矩形开口的宽边a(即长边)与所述对称面垂直，其窄边b(短边)平行于所述对称面；输出端口二2和输出端口三3对应的矩形开口的宽边a和窄边b均平行于所述对称面；输入端口一1对应的矩形开口的宽边a与输出端口二2和输出端口三3对应的矩形开口的宽边a相垂直。
优选的，第一耦合窗201、第二耦合窗202、第三耦合窗203、第四耦合窗204的横截面均为矩形截面，且每个耦合窗耦合宽边的尺寸wi各不相等，每个耦合窗耦合窄边的尺寸Hi也各不相等。各耦合窗的几何中心均在同一平面，如图1所示，耦合窗的宽边wi均平行于XY平面。
优选的，所述滤波功分器的表面上进行了非金属表面金属化处理，在各个球形谐振器的壁上蚀刻有若干均匀的圆孔；圆孔的设置可以使得电镀液均匀的流入腔体，同时减轻滤波功分器的重量。此外，均匀设置的圆孔不会切割电流，因此其所带来的辐射可以忽略不计。
本发明实施例中的第一波导法兰盘101、第二波导法兰盘102和第三波导法兰盘103的尺寸均为Ku频段(12-18GHz)下WR-62标准矩形波导法兰盘尺寸，波导法兰的尺寸为33.30mm×33.30mm，波导法兰盘的厚度比通常金属器件的厚度略厚，用以增加法兰的机械强度，厚度为5mm；该滤波功分器的结构关于输入波导口E面对称。该结构采用3D打印加工，一体成型，无需后续装配与调谐。
优选的，所述滤波功分器通过3D打印技术中的SLA技术制造，先采用光敏树脂为材料，打印滤波功分器实体模型，然后在其表面电镀一层铜，铜层厚度需大于电磁波在滤波功分器工作频率下的趋肤深度，以获得和铜制器件相同的电磁性能。
本发明的滤波功分器可以同时实现滤波和功分两种功能的滤波功分器工作在15GHz，其性能指标包括中心频率、回波损耗、相对带宽、带外抑制、插入损耗等。具体的，所述滤波器的中心频率为15GHz，回波损耗优于20dB，相对带宽为3.3％，插入损耗为0.1dB，仿真所用材料为铜(电导率为5.96×107S/m)；通过耦合矩阵理论可以确定通带的归一化耦合矩阵和外部品质因数，在得到耦合系数矩阵和外部品质因数后，利用三维电磁仿真软件CST建立该滤波功分器的结构尺寸与耦合系数矩阵和外部品质因数之间的关系，从而可以提取得到滤波器的初始物理尺寸；再将球型谐振器的半径增加或者减小，对初值进行优化，最后得到该滤波功分器满足设计指标的最优参数值。所述滤波功分器的详细结构尺寸参数如表1所示：
表1滤波功分器的具体尺寸
该滤波功分器的耦合拓扑结构如图5所示，图中S、L1、L2分别代表源和负载，K代表耦合系数，Ms1、分别表示第一、第三球形谐振器301、303与源和负载之间的耦合。表示第一球形谐振器301和第二球形谐振器302之间的耦合；/>表示第二球形谐振器302和第三球型谐振器303之间的耦合。
在输入输出端口加上对应频段的法兰结构，使其可以和其他器件连接，波导法兰盘的具体尺寸如图6和表2所示：
表2波导法兰盘的具体尺寸
A ε F 孔直径
33.30mm 12.14mm 12.63mm 4.085mm
。
以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于3D打印的高无载Q值的滤波功分器，其特征在于，所述滤波功分器包括具有相同结构尺寸的第一波导法兰盘、第二波导法兰盘和第三波导法兰盘，第一波导法兰盘、第二波导法兰盘和第三波导法兰盘均各自具有一法兰表面，用于与该滤波功分器外部的其它器件连接；第一波导法兰盘、第二波导法兰盘和第三波导法兰盘在与各自的法兰表面相对的一侧分别连接有输入矩形波导、第一输出矩形波导和第二输出矩形波导，其中，第一波导法兰盘沿着水平方向布置，其法兰表面朝上，所述输入矩形波导的上端连接至第一波导法兰盘下侧以形成该滤波功分器的输入端，所述输入矩形波导的另一端通过第一耦合窗与第一球形谐振器上部连接，相互连接的第一波导法兰盘、输入矩形波导、第一耦合窗和第一球形谐振器均为对称结构且具有同一对称面，在对称面的左右两侧，第一球形谐振器的左右两侧分别通过第二耦合窗关于对称面对称连接设置有第二球型谐振器，两个第二球型谐振器的正下方均分别通过第三耦合窗连接第三球型谐振器，位于左侧的第三球型谐振器的左侧通过一第四耦合窗连接第一输出矩形波导，位于右侧的第三球型谐振器的右侧通过另一第四耦合窗连接第二输出矩形波导，与第一输出矩形波导相连接的第二波导法兰盘位于第一输出矩形波导左侧，两者形成为该滤波功分器的一个输出端；与第二输出矩形波导相连接的第三波导法兰盘位于第二输出矩形波导右侧，两者形成为该滤波功分器的另一个输出端；并且，第三耦合窗、第三球型谐振器、第四耦合窗均为分别关于对称面对称设置的两个，第一输出矩形波导与第二输出矩形波导之间、第二波导法兰盘与第三波导法兰盘之间均分别关于对称面对称设置。
2.如权利要求1所述的一种基于3D打印的高无载Q值的滤波功分器，其特征在于，第一波导法兰盘、第二波导法兰盘和第三波导法兰盘的法兰表面中部开设有中心对称的矩形开口，分别为输入端口一、输出端口二和输出端口三，所述矩形开口的截面自对应的法兰表面分别朝向输入矩形波导、第一输出矩形波导和第二输出矩形波导延伸一定深度，由此形成输入输出波导。
3.如权利要求1所述的一种基于3D打印的高无载Q值的滤波功分器，其特征在于，输入端口一对应的矩形开口的宽边与所述对称面垂直，其窄边平行于所述对称面；输出端口二和输出端口三对应的矩形开口的宽边和窄边均平行于所述对称面；输入端口一对应的矩形开口的宽边分别与输出端口二和输出端口三对应的矩形开口的宽边相垂直。
4.如权利要求1所述的一种基于3D打印的高无载Q值的滤波功分器，其特征在于，所述滤波功分器的表面上进行了非金属表面金属化处理，在各个球形谐振器的壁上蚀刻有若干均匀的圆孔。
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