CN115473022A - 一种易于cnc实现的微波滤波扭波导 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种易于CNC实现的微波滤波扭波导。该扭波导采用一种新颖的扭转设计，可以在实现滤波和极化旋转时，不产生曲面、向内切斜面等不利于CNC加工的结构，以便于使用传统减材制造工艺加工。滤波器的谐振器是由两个旋转对称正方体叠加而成的多个双切角矩形波导腔体，这些谐振器在实现带通滤波功能的同时实现了极化方向的渐变旋转。相对于大多数文献已报道的采用的3D打印加工方式制造的集成滤波功能的扭波导而言，具有更好的射频表现。

Description

一种易于CNC实现的微波滤波扭波导
技术领域
本发明涉及无线通信、滤波器设计领域，具体涉及一种易于制造并可以 同时实现滤波和极化旋转的微波滤波扭波导的设计方法。
背景技术
目前，微波滤波器的研究已经相当成熟。作为微波电路中的一个重要器 件，具有频率选择的作用。另一方面，随着移动通信和卫星通信的发展，作 为前端射频器件的扭波导成为近年来的研究热点。因此具有极化旋转和滤波 功能的多功能研究显得格外重要。
通常，在常用的应用中采用的大多数扭波导都是基于连续旋转的，通过 波导切面的连续转动实现极化旋转。这种连续旋转的波导扭转通常体积大、 重量重、集成度低、不易加工。在系统中需要同时实现频率选择和极化旋转 时，通常是将微波滤波器和扭波导分开设计然后级联起来。但是这种方式会 因为装配误差带来额外的互连损耗，而且整体尺寸和成本较大。
为了克服这些问题，将这两个不同的器件集成到一个器件块是一个很好 的解决方案，与传统的将扭波导和滤波器作为两个独立部件的设计相比，滤 波扭波导可以在总损耗、整体尺寸和整个电路的复杂性方面有较大优势。
如O.A.Peverini等人用具有优异性能的3-D金属打印实现了与低通滤 波器集成的扭波导。Yi Zhang等人提出了一种Ka波段基于连续旋转腔与带 通滤波器集成的扭波导。上述文献中报道的滤波扭波导具有不规则的几何结 构，不利于采用传统稳定、低成本的加工工艺制造，仅适合利用3D打印技 术进行加工制造。
3D打印技术作为一种增材制造加工技术，与传统的减材制造的切削加 工技术相比有着明显的优点，它可以加工形状复杂且用传统的加工方法无法 加工的零件。但是，当前3D打印在微波器件制造上尚不成熟，特别是用于 工业界的微波器件。因为3D打印器件在表面光滑度、零件精度等方面存在 明显缺陷，严重影响微波器件性能等，不如成熟的传统减材制造工艺，例如 计算机数字控制机床(Computer Numeric Control，以下简称CNC)。CNC 加工经过了很长时间的发展，行业中早已形成了一套完整的标准，包括主轴， 刀具以及控制系统。CNC加工可以提供比3D打印机更好的表面光洁度，材料 在加工过程中不会变形；而3D打印的表面光洁度由于层压加热塑料材料而 相对较差，在加工中容易变形。同时CNC加工精度更高，因此CNC加工的零 件比3D打印产品具有更好的公差，产品更优质和稳定。
如上文所述，当前3D打印技术并不成熟，不利于工业界的微波器件生 产。所以发展一些与传统成熟加工工艺相兼容的滤波器具有价值意义和更大 前景。
为了解决现有技术中存在的缺点，为了使滤波扭波导能采用传统的成熟 稳定、高精度的传统CNC技术加工制造,本专利提出了一种利于传统减材制 造且能同时实现偏振旋转和滤波功能的微波滤波扭波导。该扭波导采用一种 新颖的旋转设计，滤波器的谐振腔是由两个旋转对称正方体叠加而成的多个 双切角矩形波导腔体，这些谐振器在实现带通滤波功能的同时实现了极化方 向的渐变旋转。
发明内容
本发明提出一种易于CNC制造的微波滤波扭波导。如图1(a)所示，由输 入输出端口和四个渐变的不同谐振器通过耦合窗级联而成，单个谐振器是由 两个正方体旋转错位构成。滤波器的加工通过拆分、分为两个相同的结构块 进行加工(如图5所示)。由水平逐步变为垂直的过渡规律以下详细阐述。
具体为：
1.本发明所述的易于CNC制造的微波滤波扭波导工作在10GHz，其性能 指标包括中心频率，相对带宽，回波损耗、带外抑制等。
2.该滤波器的物理结构参数如图1(c)所示，输入端口001通过耦合窗口101与谐振器201连通，四个谐振器(201、202、203、204)通过三个耦合 窗(102、103、104)级联而成。耦合窗口105连通输出端口002与谐振器 204.四个谐振器宽度均为wa(被拆分成两个固定长度正方形的边长)固定不 变，谐振器长度分别为L1，L2，L3，L4，五个耦合窗长度一致为L0。
3.谐振器的4步旋转方式如图2所示。谐振器的横截面由两个固定宽度 为wa的正方形叠加而成。在四步变换过程中，第一正方形逆时针从x-轴移 动到y-轴，第二正方形从x+轴移动到y+轴。以圆心为轴，a\2为半径在(-x， -y)区域画弧，第一正方形的4步移动中圆心按照弧线轨迹均匀分布直至最 后到达(0，-a\2)。第二正方形圆心同理从(a\2,0)移动到(0，a\2)。
4.该滤波器的耦合拓扑结构如图3所示，图中S、L分别代表源和负载， K代表耦合系数。Ms1和M4L表示谐振器1和4与源和负载之间的耦合。M12、 M23、M34分别表示谐振器1和2、2和3、3和4、之间的耦合。
5.本发明所述的滤波器的输入输出端口、四个旋转变化的谐振器以及 五个耦合窗的具体剖面图(x-z平面)如图4所示，具体尺寸如表1所示。
表1易于CNC制造的微波滤波扭波导各个组成部分切面尺寸
Figure BDA0003743590640000031
6.本发明设计加工图如图5所示，由上下两个100mmx62mmx22mm结构 块组成，上结构块和下结构块可拆卸连接，两结构块中间有波导结构，包括 输入波导、输出波导，四个旋转变化的谐振器、五个耦合窗。上下结构块分 别设置有12个螺纹孔和4个定位孔，12个螺纹孔以平行于连接面长边的对 称轴为轴两两相对，分为6组，位置相对的螺纹孔为相同尺寸。4个定位孔 分布在上(下)结构块连接截面四个角处，两两相对，分为2组，用于减少 上下结构块的配合安装误差。两侧侧壁上围绕着输入(输出)端面均匀排布 有四个法兰孔。输入、输出端口以及谐振腔在垂直于闭合面的直角处都进行 倒圆角处理，方便铣刀加工。
7.本发明设计由传统CNC工艺加工，成品如图6所示。
本发明具有如下的优点和有益效果：
本发明提出的微波滤波扭波导，即一种同时实现滤波及偏振旋转的波导， 该扭波导具有易于CNC制造的优点，即相对于大多数已报道的带滤波功能的 扭波导所采用的3D打印加工方式而言，产品能兼容成熟的高精度减材制造 工艺，有利于获得更好的射频性能。同时该结构也有利于在现阶段3D打印 工艺很难加工的太赫兹频段实现滤波扭波导功能。为了验证改方案的可行性， 一个工作在10GHz的滤波扭波导被设计并作为案例。与已有的滤波扭波导不 同，该设计通过提出旋转变化的谐振器，可以在实现滤波和极化旋转时，不产生曲面、向内切斜面等不利于CNC加工的结构。
附图说明
图1为易于CNC制造的微波滤波扭波导仿真模型，其中，(a)为仿真 模型整体图)，(b)为xoz面仿真模型侧视图；(c)为xoy面仿真模型俯 视图
图2为易于CNC制造的微波滤波扭波导的谐振腔渐变规律图；
图3为易于CNC制造的微波滤波扭波导的拓扑结构；
图4为易于CNC制造的微波滤波扭波导的剖面变化图；
图5为易于CNC制造的微波滤波扭波导加工图；
图6为易于CNC制造的微波滤波扭波导加工成品图；
图7为易于CNC制造的微波滤波扭波导的仿真结果；
图8为易于CNC制造的微波滤波扭波导的测试与仿真结果对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而 不是全部的实施例。本发明实例包括：
1.本发明所述的易于CNC制造的微波滤波扭波导的中心频率为10GHz， 相对带宽为4％，回波损耗优于13dB，通过耦合矩阵理论可以确定归一化耦 合矩阵和外部品质因数为：
Figure BDA0003743590640000051
Qe＝23.3262
由给出的耦合矩阵和外部品质因数可以提取得到滤波器的初始物理尺 寸。
2.本发明所述的微波滤波扭波导的结构如图1(a)所示，由输入输出端 口和四个渐变的不同谐振器通过耦合窗级联而成，单个谐振器是由两个正方 体旋转错位构成。其中a＝10.16mm,b＝22.86mm，c＝12mm，L0＝3mm，L1＝ 14.06mm，L2＝15.03mm，L3＝15.03mm，L4＝14.06mm，微波滤波扭波 导整体尺寸为100mmx62mmx44mm。
3.本发明所述的微波滤波扭波导采用的金属材料为铝合金，通过传统 CNC技术在铝块上铣出全部结构，完成后再对波导滤波器进行表面镀银，通 过表面镀银的方式，提高波导壁的电导率，降低滤波器的损耗，同时降低了 波导壁表面的粗糙度。
4.根据实施例进行软件仿真和优化的结果数据指标如表1所示，该易于 CNC制造的微波滤波扭波导仿真结果如图7所示。
5.图6所示为易于CNC加工的微波滤波扭波导的加工成品图。测试采用 的矢量网络分析仪为Agilent E8363B，测试数据与仿真数据对比图如图8 所示。由测试结果可以看出，通带的中心频率位于10GHz，相对带宽为4％， 回波损耗优于13dB，总体而言实物器件的测试性能良好，测量与仿真结果的 偏差主要是由加工误差导致。

Claims (6)

1.一种易于CNC制造的微波滤波扭波导，其特征在于，由输入输出端口和四个旋转变化的不同谐振器通过耦合窗级联而成，单个谐振器是由两个正方体旋转错位构成，四个谐振腔具有不同的偏移程度，使谐振模式从TE101到TE011逐渐过度，从而使输入输出端口由水平逐步变为垂直。
2.根据权利要求1所述的易于CNC制造的微波滤波扭波导，其特征在于，输入端口(001)通过一个耦合窗口(101)与第一级谐振器(201)连通，四个谐振腔(201、202、203、204)分别通过三个耦合窗口(102、103、104)依次级联而成，最后一级谐振器(204)通过耦合窗口(105)连通输出端口(002),构成四个谐振器的正方体宽度相同，仅旋转角度不同，各谐振器长度可变，用于调节谐振器谐振频率，五个耦合窗在信号传播方向上长度一致。
3.根据权利要求1所述的易于CNC制造的微波滤波扭波导，其特征在于，谐振器为旋转错位谐振器，通过改变错位的幅度，使滤波器的输入端口由水平方向逐渐过渡到垂直方向后输出，从而不产生曲面、向内切斜面结构，从而可采用CNC或其他传统机械加工方式加工。
4.根据权利要求1所述的易于CNC制造的微波滤波扭波导，其特征在于，扭波导由上下两个结构块组成，上结构块和下结构块之间为可拆卸连接，两结构块中间有呈直线型拓扑分布的波导结构，包括输入输出波导，四个旋转变化的谐振器和五个耦合窗，上下结构块设置有若干组螺纹孔和定位孔，螺纹孔以平行于连接面长边的对称轴为轴两两相对分布，位置相对的螺纹孔尺寸相同，与密封平面相垂直，定位孔分布在上下结构块连接截面的四角处，两两相对，两侧侧壁上围绕着输入输出端面均匀排布有四个法兰孔，输入、输出端口以及谐振腔在垂直于闭合面的直角处都进行倒圆角处理。
5.根据权利要求2所述的易于CNC制造的微波滤波扭波导，其特征在于，谐振器的横截面由两个固定宽度的正方形叠加而成，两个正方形进行四步变换，第一正方形逆时针从x-轴移动到y-轴，第二正方形从x+轴移动到y+轴，以圆心为轴，a\2为半径在(-x，-y)区域画弧，第一正方形的4步移动中圆心按照弧线轨迹均匀分布直至最后到达(0，-a\2)，第二正方形圆心同理从(a\2,0)移动到(0，a\2)。
6.根据权利要求4所述的易于CNC制造的微波滤波扭波导，其特征在于，微波滤波扭波导采用的金属材料为铝合金，通过传统CNC技术在铝块上铣出全部结构，完成后再对波导滤波器进行表面镀银，通过表面镀银的方式，提高波导壁的电导率，降低滤波器的损耗，同时降低了波导壁表面的粗糙度。
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