一種Ka波段集成化濾波功分器設(shè)計

吳思凡，李建星，曹元熙，閆 森，陳 娟

(西安交通大學 信息與通信工程學院，陜西 西安 710049)

0 引言

在通信系統(tǒng)及探測系統(tǒng)中，濾波器和功分器等微波無源器件已被廣泛應(yīng)用[1-2]。隨著現(xiàn)代通信系統(tǒng)集成度的提升，該類器件正朝著低損耗、集成化、高功率容量方向發(fā)展[3]?，F(xiàn)階段常見的濾波及功分電路大多為基于平面印制電路板(Printed Circuit Board,PCB)技術(shù)的設(shè)計，該類設(shè)計具有加工精度高、剖面低等優(yōu)勢[4-5]。但微帶傳輸線具有在毫米波段損耗大、功率容量小等劣勢。相較于微帶電路，空氣填充的金屬波導傳輸線結(jié)構(gòu)由于其損耗低、功率容量大和機械強度高等優(yōu)勢，在雷達探測與衛(wèi)星通信領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[6-7]。同時，為了進一步實現(xiàn)器件的集成化，避免器件級聯(lián)間的損耗，設(shè)計基于全金屬導波結(jié)構(gòu)的濾波功分器具有重要研究意義。

為了降低該類器件的制作成本及難度，三維打印技術(shù)正在逐漸運用于微波毫米波器件的制作[8]。以選擇性激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)[9]為代表的金屬三維打印技術(shù)和立體光固化成型(Stereo Lithography Apparatus,SLA)[10]為代表的非金屬打印技術(shù)在無源器件加工方面具有顯著優(yōu)勢，尤其是對于結(jié)構(gòu)復雜的零件加工以及一體化免組裝、免焊接的器件制造。該類技術(shù)制作的波導腔體器件既可以有效地防止電磁能量泄露，又可以顯著地降低加工成本。

關(guān)于濾波功分器的設(shè)計，國內(nèi)外已經(jīng)有團隊進行研究。電子科技大學團隊[11]設(shè)計了基于介質(zhì)集成波導(Substrate Integrated Waveguide，SIW)的濾波功分器，該濾波功分器在毫米波頻帶實現(xiàn)兩階濾波與一分二功率分配，可作為低剖面毫米波天線的差分饋電網(wǎng)絡(luò)。華南理工大學團隊[12]在厘米波頻段設(shè)計了微帶濾波功分器,該器件可以實現(xiàn)二階濾波器與一分二功分器的集成。美國普渡大學團隊[13]在分米波頻段研究了集成濾波功能的威爾金森功分器，該器件可以實現(xiàn)工作頻帶的可重構(gòu)。韓國高麗大學團隊[14]提出了一種中心頻率為1 GHz在輸出端口無反射響應(yīng)的一分二濾波功分器結(jié)構(gòu)，并且2個輸出端口之間具有很高的隔離度。但由于該類器件均基于平面電路板的設(shè)計，效率與功率容量受到限制。截至目前，由金屬波導進行集成化設(shè)計的濾波功分網(wǎng)絡(luò)還鮮有研究。本文以低損耗、高集成和高功率容量等需求為導向，使用SLM金屬三維打印技術(shù)，利用耦合矩陣理論，首先設(shè)計了一款四階腔體濾波器；隨后又集成化設(shè)計了一種Ka波段金屬波導全諧振腔一分四的五階濾波功分傳輸網(wǎng)絡(luò)；最后打印了樣機并進行了測試，仿真與實測結(jié)果具有良好的一致性。由于本設(shè)計具有效率高、損耗低、功率容量大等優(yōu)勢，使其非常適用于雷達和衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

1 濾波功分器的設(shè)計

本文提出的濾波功分器結(jié)構(gòu)如圖1所示，能量通過端口1輸入，由端口2，端口3，端口4，端口5等幅度同相位輸出。輸入輸出端口均為WR-28標準波導端口，傳輸網(wǎng)絡(luò)采用空氣填充的全金屬波導結(jié)構(gòu)。

圖1 濾波功分器結(jié)構(gòu)示意

1.1 耦合系數(shù)與外部品質(zhì)因數(shù)的提取

在設(shè)計腔體濾波器時，首先通過公式計算以TE101模式在中心頻率29 GHz諧振的矩形諧振腔尺寸。通過調(diào)節(jié)相鄰諧振腔的窄邊膜片間距u實現(xiàn)相鄰諧振腔間的能量耦合。為了降低邊界條件的影響，諧振腔與輸入、輸出波導均以弱耦合結(jié)構(gòu)連接，如圖2所示。通過對腔體間膜片間距的參數(shù)分析，計算出腔體間耦合系數(shù)K。通過調(diào)節(jié)第一級矩形腔與輸入矩形波導之間的膜片尺寸實現(xiàn)外部品質(zhì)因數(shù)的提取，輸出端口采取弱耦合，如圖3所示。提取后參數(shù)的結(jié)果與物理尺寸的關(guān)系如圖4所示，可以看到隨著腔體間膜片間距的增大，腔體間耦合系數(shù)K增大；隨著輸入波導與第一級諧振腔間膜片間距的提高，外部品質(zhì)因數(shù)Q降低。

圖2 耦合系數(shù)的提取

圖3 外部品質(zhì)因數(shù)的提取

圖4 耦合系數(shù)和外部品質(zhì)因數(shù)與物理尺寸變化的對應(yīng)關(guān)系

1.2 四階濾波器的設(shè)計

為了驗證所提取耦合系數(shù)的準確性，首先設(shè)計了一個切比雪夫型的四階腔體濾波器。中心頻率為29 GHz，相對帶寬為13.6%，帶內(nèi)回波損耗優(yōu)于15 dB。歸一化耦合系數(shù)與外部品質(zhì)因數(shù)滿足：

(1)

(2)

(3)

(4)

將計算出的耦合系數(shù)和外部品質(zhì)因數(shù)與圖4相對應(yīng)，確定參數(shù)初值，建立濾波器空氣模型，如圖5所示。根據(jù)諧振腔的微擾原理，諧振頻率會有所偏移，根據(jù)真實的邊界條件，對濾波器的物理尺寸進行優(yōu)化。經(jīng)過仿真優(yōu)化后的參數(shù)值為：l1=4.66 mm,l2=5.26 mm,l3=5.35 mm,l4=4.63 mm,us1=u4L=5.1 mm,u12=4.29 mm,u23=4.07 mm,u34=4.21 mm。該濾波器的仿真結(jié)果如圖6所示，采用波端口饋電(a×b=7.112 mm×3.556 mm)。可以看到回波損耗優(yōu)于15 dB的帶寬為27.0～30.9 GHz。

圖5 四階濾波器空氣模型

圖6 四階濾波器散射參數(shù)的仿真結(jié)果

1.3 濾波功分器的設(shè)計

圖7 濾波功分器結(jié)構(gòu)拓撲圖

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

濾波功分器空氣模型如圖8所示，對照圖4可以確定初始參數(shù)。仿真優(yōu)化后的參數(shù)值為：l1=4.8 mm,l2=5.08 mm,l3=5.53 mm,l4=5.18 mm,l5=4.83 mm,us1=u5L=0.93 mm,u12=4.38 mm,u23=4.15 mm,u34=4.07 mm,u45=4.35 mm,v12=1.72 mm,v23=1.41 mm,v34=1.44 mm,v45=1.38 mm。為了便于后期測量，該設(shè)計的接口均采用標準WR-28(a×b=7.112 mm×3.556 mm)波導端口。

圖8 濾波功分器空氣模型

濾波功分器的仿真散射參數(shù)結(jié)果如圖9所示。該傳輸網(wǎng)絡(luò)可以在27.1～30.8 GHz實現(xiàn)優(yōu)于14 dB的回波損耗，4個輸出端口插入損耗約為6.3 dB。高于33 GHz與低于26.5 GHz的頻率范圍帶外抑制超過30 dB。由于腔體采用五階濾波器設(shè)計，在通帶內(nèi)可以清晰地觀察到5個諧振極點。圖10為輸出相位的仿真結(jié)果，由于采用類似魔T網(wǎng)絡(luò)H面波導設(shè)計，4個輸出端口的相位相同。

圖9 濾波功分器散射參數(shù)的仿真結(jié)果

圖10 濾波功分器輸出相位的仿真結(jié)果

2 濾波功分器的加工與測試

設(shè)計的器件在國家增材制造創(chuàng)新中心進行打印加工。制作工藝為SLM金屬三維打印技術(shù)，所用材料為AlSi10Mg，器件進行噴棕剛玉砂表面處理。采用安捷倫E8363B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量散射參數(shù)[16]。

2.1 金屬直波導損耗標定

為了測量本次三維打印金屬的等效電導率，加工并測試了一款Ka波段70 mm長的直波導，如圖11所示。通過測量其插入損耗約為0.13 dB并在仿真軟件中進行修正，確定本次加工的金屬等效電導率為1.15×107S/m，仿真及測試結(jié)果如圖12所示。

圖11 SLM打印的直波導

圖12 SLM打印的直波導散射參數(shù)

2.2 四階濾波器測試

SLM工藝打印的四階濾波器實物如圖13所示。四階濾波器的測量結(jié)果如圖14所示，該濾波器可以在27.5～31.4 GHz的頻帶內(nèi)實現(xiàn)優(yōu)于15 dB的回波損耗以及最大0.29 dB的插入損耗，仿真與測試結(jié)果基本一致。需要注意的是，實測帶寬比仿真向高頻偏移0.5 GHz。具體原因分析是金屬在進行激光燒結(jié)打印過程中，成型尺寸與仿真設(shè)計相同，但打印結(jié)束后，金屬冷卻收縮，造成空氣結(jié)構(gòu)尺寸縮小，從而使濾波器通帶向高頻發(fā)生偏移[17-18]。

圖13 SLM打印的四階濾波器

圖14 SLM打印的四階濾波器實測散射參數(shù)

2.3 五階濾波功分器測試

為了補償激光燒結(jié)后的遇冷收縮效應(yīng)，對五階濾波功分器尺寸放大1%進行加工。加工后濾波功分器的整體尺寸為58 mm×46 mm×18 mm。加工的樣件如圖15所示。在測量反射系數(shù)時，4個輸出端口均連接波導匹配負載，依次測量傳輸系數(shù)時，其余3個輸出端口連接波導匹配負載。濾波功分器的測試散射參數(shù)結(jié)果如圖16所示。濾波功分器在27.2～30.8 GHz內(nèi)，可以實現(xiàn)優(yōu)于14 dB的回波損耗，4個輸出端口實現(xiàn)約6.4 dB的插入損耗。可以清楚地觀察到通帶內(nèi)5個諧振極點。輸出相位測試結(jié)果如圖17所示，4個輸出相位相同，仿真與測試結(jié)果一致。

圖15 SLM打印的濾波功分器

圖16 SLM打印的濾波功分器實測散射參數(shù)

圖17 SLM打印的濾波功分器實測輸出相位

3 結(jié)束語

本文提出了一款基于金屬三維打印技術(shù)的Ka波段集成化濾波功分器。在五階濾波器設(shè)計基礎(chǔ)上，通過調(diào)整腔體間耦合系數(shù)實現(xiàn)了功率分配，因此傳輸網(wǎng)絡(luò)同時實現(xiàn)了濾波與等幅同相功率分配，對系統(tǒng)的小型化有著重要意義。此外，金屬三維打印技術(shù)極大地降低了加工成本，確保了加工精度，幫助實現(xiàn)了器件的一體成型。該傳輸網(wǎng)絡(luò)全金屬波導結(jié)構(gòu)也使得該器件具有更大的功率容量和更低的損耗，該優(yōu)勢使其非常適用于雷達和衛(wèi)星通信系統(tǒng)。