CN116345089A - 一种易于3d打印的三棱柱腔消逝模滤波器及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种易于3D打印的三棱柱腔消逝模滤波器，包括输入端、谐振器、输出端，滤波器的输入端、输出端采用波导作为输入输出馈电部分，谐振器的金属腔壳体呈三棱柱结构，谐振器的金属腔内包括多根圆台柱。本发明采由3D打印技术进行加工，在打印过程中不需要在内部添加额外的支撑结构，并且在一体化加工完成后无需进行再次组装。三棱柱波导结构，该结构在打印中可以自支撑，能够在不分开打印的情况下，一次打印成型，为加工提供了极大的便利，并避免了可能出现的装配误差。

Description

一种易于3D打印的三棱柱腔消逝模滤波器及设计方法

技术领域

本发明涉及滤波器领域，特别地涉及一种易于3D打印的三棱柱腔消逝模滤波器及设计方法。

背景技术

目前，在微波和射频领域，为了满足通信系统高性能的需求，不断有新的具有复杂结构的创新设计出现。传统的加工方法对于进行复杂和异形结构的加工有很大的挑战，因此，3D打印作为一种先进而灵活的制造技术，为微波和射频领域的器件加工提供了新的选择。微波滤波器是射频和微波系统中极为重要的设备。滤波器能够选定特定频带内的信号，并且抑制通带外的信号。在通信系统中，输入通信系统中的信号通常会伴随着各种各样的杂散信号，如来自周围环境的电磁干扰信号，亦或是通信系统内部的各种元器件带来的干扰信号。因此，就必须引入对信号具有选择作用的滤波器这种设备，通过对信号进行滤波来保证通信系统处理信号的质量。并且，滤波器在射频组件链路中具有非常普遍的应用，其性能对整个射频和微波系统的工作状态有很大的影响。近年来，随着新工艺新材料不断出现，滤波器领域不断出现新的创新设计，这些设计有着各自的优势，也有各式各样的问题。在小型化方面，消逝模滤波器有其独特的优势，但也有在低频体积较大，在高频难以加工的缺点。虽然消逝模滤波器在小型化方面有其不可替代的优势。但其传统的矩形条状或圆柱形的谐振器以及矩形腔体，不利于采用3D打印技术进行一体制造。当前基于3D打印技术的消逝模滤波器，大多采用分块打印再装配的方案。这种方案会给滤波器带来额外的装配误差。且装配后需要调试，这使得滤波器的加工时间变长，人力成本增加。

在过去，腔体滤波器主要使用计算数控技术，通过在整块金属材料中剔除不需要的部分，从而实现切割成所需形状的要求。因此，使用CNC工艺生产出的滤波器通常具有较大的体积，对于某些不易加工的形状，也常常难以应用。然而，近年来，3D打印技术发展迅速，其作为一种先进的加工方式逐渐走入科研人员的视野，并应用于腔体滤波器的设计。3D打印技术尤其在加工较为复杂的结构时，具有很大的优势，例如球形腔的谐振器，扭波导以及各种异形结构的滤波器。并且，相较于传统机械加工技术，用3D打印技术加工滤波器还能获得更轻的重量，有时还会有成本优势。

3D打印技术是采用逐层打印的方法来制造模型结构的，所以其整个加工过程中几乎完全使用不需要刀具、夹具和工装等在传统机械加工技术中不可缺少的工具。这种技术能够加工传统机械加工技术很难完成的复杂结构，同时能够节省原材料。并且，打印器件的结构复杂程度与采用3D打印技术加工时，加工成本和制造周期不会因为需要加工器件的结构复杂程度受到影响。因此，与传统的如数控机床等机械加工方法相比，3D打印技术在加工结构较为复杂的实体时有着显著优势。然而，3D打印结构在加工时，也有一定的限制。由于3D打印技术的基本思想是逐层构建三维几何图形的切片，每一层都印在水平面上，使几何体可以沿着垂直方向逐渐生长。因此这一过程必须遵循一个要求，即与相邻层相比，下一个打印层的形状不会迅速变化。否则，必须采用额外的支撑结构来保证稳定的印刷几何结构或者将需要打印的物体分成多部分打印。然而，在物体内部添加支撑的方式是难以实行的，因为添加的部分在打印之后难以去除。而分成多部分再打印，会在装配时产生额外的误差的问题。

发明内容

针对上述现有技术中的问题，本申请提出了一种易于3D打印的三棱柱腔消逝模滤波器，包括输入端、谐振器、输出端，滤波器的输入端、输出端采用波导作为输入输出馈电部分，谐振器的金属腔壳体呈三棱柱结构，谐振器的金属腔内包括多根圆台柱。

可选地，所述三棱柱的底面与输入端波导底面在一个平面上，三棱柱的顶端高于输入端波导的顶面，圆台的顶面直径小于圆台的底面直径。

可选地，四个圆台柱之间为非等距设置，第一圆台柱与第四圆台柱高度相同，第一圆台柱与三棱柱第一侧的距离等于第四圆台柱与三棱柱第二侧的距离，第二圆台柱与第三圆台柱高度相同。

可选地，所述圆台柱的长短可调节，通过调节圆台柱的长短，能够改变谐振器的谐振频率。

可选地，所述圆台柱间的耦合方式为磁耦合，改变圆台柱间的距离能够控制圆台柱间的耦合强弱。

一种易于3D打印的三棱柱腔消逝模滤波器的设计方法，根据耦合矩阵理论，确定通带的归一化耦合矩阵和外部品质因数为：

对非归一化矩阵M，有M＝FBW·m；

对滤波器的外部耦合系数Q_es Q_el，有

其中，m_s1是输入耦合系数，是归一化耦合矩阵m第一行第二列的矩阵元。m_ln是输出耦合系数，是归一化耦合矩阵m最后一行倒数第二列的矩阵元，FBW是相对带宽，Q_e＝46.6593；

滤波器级间耦合的初始尺寸由下列公式提取

其中，f_p1，f_p2分别表示两个谐振峰的谐振频率；通过将k与归一化耦合矩阵中的矩阵元M_ij的数值进行比较，可以得到各谐振器间距的初值；

在谐振状态下，有载品质因数Q_e与群时延

存在以下关系：

f₀是谐振频率。

通过仿真群时延曲线，得到第一个圆台柱与端口的距离；

提取滤波器的初始尺寸后，对滤波器整体结构进行优化，得到符合给定指标的滤波器。

本发明提供的一种易于3D打印的三棱柱腔消逝模滤波器，与现有技术相比，至少具备有以下有益效果：本发明采用了三棱柱波导结构，该结构在打印中可以自支撑，能够在不分开打印的情况下，一次打印成型，为加工提供了极大的便利，并避免了可能出现的装配误差。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1显示了本发明的三棱柱腔消逝模滤波器的外形结构示意图；

图2显示了本发明的三棱柱腔消逝模滤波器的内部结构示意图；

图3显示了本发明的有倾斜角度的打印方案示意图；

图4显示了本发明的矩形打印结构示意图；

图5显示了本发明的半圆形打印结构示意图；

图6显示了本发明的三棱柱打印结构示意图；

图7显示了本发明的三棱柱腔消逝模滤波器的拓扑结构；

图8显示了本发明的滤波器的仿真结果。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

该滤波器的物理结构如图1所示，包括输入端、谐振器、输出端，滤波器的输入端、输出端都采用矩形波导作为输入输出馈电部分，谐振器的金属腔壳体呈三棱柱结构。

在一个实施例中，如图2所示，三棱柱底面与矩形波导底面在一个平面上，三棱柱的顶端稍高于矩形波导的顶面，谐振器的金属腔内包括四根圆台柱，圆台的顶面直径小于圆台的底面直径。圆台柱之间为非等距设置，第一圆台柱与第四圆台柱高度相同，第一圆台柱与三棱柱第一侧的距离等于第四圆台柱与三棱柱第二侧的距离，第二圆台柱与第三圆台柱高度相同，圆台柱的长短可调节，通过调节圆台柱的长短，可以改变谐振器的谐振频率。圆台柱间的耦合方式为磁耦合，圆台柱间的耦合强弱主要通过改变圆台柱间的距离来控制。

根据3D打印技术的原理，由于其所要打印的每一层都印在水平面上，几何体要沿着垂直方向逐渐生长，因此要求，两个相邻打印层的形状不能有太急剧的变化,如果要打印这种相邻打印层急剧变化的结构，必须要在内部添加额外支撑，然而，添加的支撑结构必须在后期进行切割或铣削的处理，这又会产生额外的误差。在不使用额外支撑，或是分成多部分打印的情况下，就要求我们在打印矩形金属腔时，必须采用图3所示的结构来行打印，并且通常要求斜角α大于40°。通过对已有文献的调研可以发现，在三维打印的几何结构中，在类似矩形波导的顶面的结构中，广泛存在图4所示的不能用所提出的打印方案打印的平面顶面，然而，采用打印面不会剧烈变化的三棱柱面和拱形面(如图5和图6所示)这类自支撑结构，就可以在不添加额外支撑或分成多部分的情况下进行打印。

本发明提供了一种易于3D打印的三棱柱腔消逝模滤波器，工作频带为9.9-10.1GHz，其性能指标包括中心频率，相对带宽，回波损耗，传输零点位置等，通带中心频率为10GHz，回波损耗优于20dB，3dB相对带宽设计为2％。

在一个实施例中，根据耦合矩阵理论，确定通带的归一化耦合矩阵和外部品质因数为：

对非归一化矩阵M，有M＝FBW·m。

对滤波器的外部耦合系数Q_es Q_el，有

其中，m_s1是输入耦合系数，是归一化耦合矩阵m第一行第二列的矩阵元。m_ln是输出耦合系数，是归一化耦合矩阵m最后一行倒数第二列的矩阵元，FBW是相对带宽，Q_e＝46.6593。

滤波器级间耦合的的初始尺寸可以由下列公式提取

其中，f_p1，f_p2分别表示两个谐振峰的谐振频率。通过将k与归一化耦合矩阵中的矩阵元M_ij的数值进行比较，可以得到各谐振器间距的初值。

在谐振状态下，有载品质因数Q_e与群时延

存在以下关系：

通过仿真群时延曲线，可以得到第一个圆台柱与端口的距离。

通过以上技术，提取滤波器的初始尺寸后。经过对滤波器整体结构的优化，得到符合给定指标的滤波器。

在一个实施例中，本发明所述的滤波器的的物理尺寸为WC＝10mm，HC＝10mm，H1＝5.875mm，H2＝6.075mm，H3＝6.075mm，H4＝5.875mm，RB1＝2mm，RB2＝2mm，RB3＝2mm，RB4＝2mm，RT1＝0.825mm，RT2＝0.785mm，RT3＝0.785mm，RT4＝0.825mm，D0＝0.19mm，D1＝7.83mm，D2＝8.49mm，D3＝7.83mm，D4＝0.19mm，T＝1mm。

滤波器采用光敏树脂材料打印,然后在滤波器表面镀铜，以达到和铜制滤波器相同的射频性能。

三棱柱腔消逝模滤波器的拓扑结构如图7所示，根据实施例进行软件仿真和优化，仿真结果如图8所示。由图可知，滤波器的回波损耗在通带内大于20dB，插入损耗小于0.2dB，满足设计要求。

该滤波器通过全波电磁仿真软件CST进行仿真。

该滤波器的物理结构参数如图1所示。从右到左四个圆台柱分别为CTC1、CTC2、CTC3、CTC4。CTC1的高度为H1，底部半径为RB1，顶部半径为RT1；CTC2的高度为H2，底部半径为RB2，顶部半径为RT2；CTC3的高度为H3，底部半径为RB3，顶部半径为RT3；CTC4的高度为H4，底部半径为RB4，顶部半径为RT4。三棱柱金属腔的长度为L，厚度为T，其横截面为等腰三角形，其底为WC，高为HC。CTC1到三棱柱金属腔边缘的距离为D0，CTC1与CTC2的间距为D1，CTC2与CTC3的间距为D2，CTC3与CTC4的间距为D3，CTC4到金属腔另一边缘的距离为D4。

分别调节四个圆台柱的高度H1、H2、H3、H4以及底部半径RB1、RB2、RB3、RB4可以控制滤波器的谐振频率。减小圆台柱的半径，可以提高滤波器的谐振频率，反之则下降；减小圆台柱的高度，能够提高滤波器的谐振频率，反之则下降。调节各圆台柱的间距可以调节耦合强度从而控制通带的带宽大小。

本发明采由3D打印技术进行加工，在打印过程中不需要在内部添加额外的支撑结构，并且在一体化加工完成后无需进行再次组装。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (6)

1.一种易于3D打印的三棱柱腔消逝模滤波器，其特征在于，包括输入端、谐振器、输出端，滤波器的输入端、输出端采用波导作为输入输出馈电部分，谐振器的金属腔壳体呈三棱柱结构，谐振器的金属腔内包括多根圆台柱。

2.根据权利要求1所述的易于3D打印的三棱柱腔消逝模滤波器，其特征在于，所述三棱柱的底面与输入端波导底面在一个平面上，三棱柱的顶端高于输入端波导的顶面，圆台的顶面直径小于圆台的底面直径。

3.根据权利要求2所述的易于3D打印的三棱柱腔消逝模滤波器，其特征在于，四个圆台柱之间为非等距设置，第一圆台柱与第四圆台柱高度相同，第一圆台柱与三棱柱第一侧的距离等于第四圆台柱与三棱柱第二侧的距离，第二圆台柱与第三圆台柱高度相同。

4.根据权利要求2所述的易于3D打印的三棱柱腔消逝模滤波器，其特征在于，所述圆台柱的长短可调节，通过调节圆台柱的长短，能够改变谐振器的谐振频率。

5.根据权利要求2所述的易于3D打印的三棱柱腔消逝模滤波器，其特征在于，所述圆台柱间的耦合方式为磁耦合，改变圆台柱间的距离能够控制圆台柱间的耦合强弱。

6.根据权利要求1所述的易于3D打印的三棱柱腔消逝模滤波器的设计方法，其特征在于，根据耦合矩阵理论，确定通带的归一化耦合矩阵和外部品质因数为：

对非归一化矩阵M，有M＝FBW·m；

对滤波器的外部耦合系数Q_es Q_el，有

其中，m_s1是输入耦合系数，是归一化耦合矩阵m第一行第二列的矩阵元；m_ln是输出耦合系数，是归一化耦合矩阵m最后一行倒数第二列的矩阵元，FBW是相对带宽，Q_e＝46.6593；

滤波器级间耦合的初始尺寸由下列公式提取

其中，f_p1，f_p2分别表示两个谐振峰的谐振频率；通过将k与归一化耦合矩阵中的矩阵元M_ij的数值进行比较，可以得到各谐振器间距的初值；

在谐振状态下，有载品质因数Q_e与群时延

存在以下关系：

f₀是谐振频率；

通过仿真群时延曲线，得到第一个圆台柱与端口的距离；

提取滤波器的初始尺寸后，对滤波器整体结构进行优化，得到符合给定指标的滤波器。

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