一种一体化加工的滤波器及其方法

1.本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种一体化加工的滤波器及其方法。


背景技术：

2.随着移动通信和卫星通信的发展，通信系统的复杂程度变得越来越复杂。传统的独立设计各个微波器件并将其级联的方式已经不能满足现代通信系统小型化、集成化、多功能化的发展需求。滤波器作为一个微波通信系统中必不可少的器件，近年来常常与其他微波器件进行融合设计以实现通信系统的小型化、集成化，同时降低因为多个器件级联而带来的额外损耗，典型的例子包括滤波天线、滤波耦合器与滤波放大器等。此外，在多个波导器件、设备进行连接时，上一级器件的输出与下一级器件的输入往往不在同一直线上，甚至两个端口的极化方向成一定角度，因此，弯波导、扭波导成为微波前端系统中必不可少的连接器件。
3.在波导结构组成的信号传输系统中，其内部空间有限，多种器件之间需要考虑到空间内的布局连接，各个独立的器件需要通过极化转向和传播方向改变来实现波导端口的对接，传统的方式是在器件两端加上单独的扭波导、弯波导，多个器件通过独立的加工再进行组装，这种方式不仅会占用波导系统部分的空间，也会在组装过程中引入一定的误差从而影响系统的性能。
4.如何将滤波器等多种器件集成到一个器件中，以极大的缩小通信系统的体积，迎合当前微波系统的发展方向，这一研究方向逐渐成为近年来的研究热点。将滤波器与扭波导融合设计的滤波器件也在文献中被报道。yi zhang等人提出一种阶梯旋转波导带通滤波器，通过四个渐变旋转的te101波导谐振器来实现波导极化方向旋转的同时实现带通滤波的功能。o.a.peverini等人通过am技术将h面旋转、扭转以及滤波三个射频功能集成在一个ku/k波段的单个波导组件中，在传统的阶梯扭波导滤波的结构中引入h面90度的弯转进一步缩小了组件的整体大小，但其只能实现低通滤波，而信号传输处理中经常要实现带通滤波的功能。目前还没有文献关于同时集成扭转、带通滤波和h面弯转的滤波器的记载。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明提供一种一体化加工的滤波器及其方法，目的是为了在同时实现极化旋转、带通滤波和h面弯曲功能的情况下实现通信系统小型化、集成化、多功能化，且尽可能的降低损耗。
6.为了实现以上目的，本发明提供一种一体化加工的滤波器，包括两个波导法兰盘和连接在两个波导法兰盘之间且与两个波导法兰盘一体加工的中间矩形扭波导，其中，波导法兰盘中部开设有矩形通孔结构以形成矩形波导的输入/输出馈电部分，也即源端和负载端；中间矩形扭波导由金属材料制成矩形截面(即为矩形波导结构)，其内部填充空气介质从而使得电磁波被束缚在矩形腔内进行传播，在中间矩形扭波导中形成有金属膜片以作为金属耦合窗；金属耦合窗为多个，对于每一金属耦合窗，其金属膜片对称分布在矩形波导
的两侧，对称分布在矩形波导两侧的两金属膜片之间形成缝隙，各金属膜片对应的缝隙边缘与矩形波导外框平行；根据金属膜片的分布方式，金属耦合窗分为感性耦合窗和容性耦合窗，金属膜片对应的缝隙边缘平行于矩形波导的窄边为感性耦合窗，金属膜片对应的缝隙边缘平行于矩形波导长边为容性耦合窗。
7.优选的，中间矩形扭波导为1/4圆弧的扭转波导，其能够经过扭转和弯曲在实现波导极化方向旋转的同时实现波导端口90度的旋转；进一步优选的，1/4圆弧的扭转波导自源端向负载端依次由容性耦合窗(记为第一金属耦合窗)、感性耦合窗(记为第二金属耦合窗)、感性耦合窗(记为第三金属耦合窗)、感性耦合窗(记为第四金属耦合窗)和容性耦合窗(记为第五金属耦合窗)分割为4个谐振腔，分别为谐振器一、谐振器二、谐振器三、谐振器四，具体的，输入馈电波导即源端与谐振器一之间采用容性耦合窗，谐振器一与谐振器二之间采用感性耦合窗，谐振器二与谐振器三之间采用感性耦合窗，谐振器三与谐振器四之间采用感性耦合窗，谐振器四与输出馈电波导即负载端采用容性耦合窗。
8.优选的，各金属耦合窗将中间矩形扭波导分为六段，自源端向负载端，各段对应的圆弧角度为记为θs、θ1、θ2、θ3、θ4、θ
l
，满足θs＝θ
l
，θ1＝θ4、θ2＝θ3，且θ1》θ2》θs。优选的，所述一体化加工的滤波器由金属材料制成是指，全部材料均为金属材料，或者，在非金属材料表面进行表面金属化处理。
9.进一步优选的，本发明的一体化加工的滤波器采用3d打印技术制造实现该器件的一体化加工，具体的加工方法为，金属模型仿真完成后将其转化为stl文件，用3d打印技术中的sla技术采用树脂材料进行打印，打印精度为50μm，在3d打印之前，通过结构补偿减去镀铜的厚度，实现滤波器的频率偏移最小化；在打印之前将滤波器的模型正确的放置，以确保堆叠的材料能够自我支撑，这种情况下就无需在空腔内使用树脂支撑结构，这可以避免内部支撑结构去除不完全导致的内表面粗糙，可以得到更光滑的内表面。在打印和清洁滤波器的模型后等待树脂固化后，将10μm厚的铜镀到印刷树脂上。具体采用化学镀铜的方法对sla打印的树脂结构进行表面金属化，首先去除树脂结构表面的污垢，接着进行表面活化，然后通过粗化剂对其进行化学刻蚀，之后干燥，浸泡模型使树脂上沉积一薄层催化剂，最后利用化学镀镍溶液进行滚镀，在前期催化剂作用下，镀上0.2-0.4μm厚的镍层，再利用镀铜溶液镀一层10μm厚的铜。
10.优选的，在高精度立体光固化打印树脂结构时，为了便于后期的表面金属化处理，在所打印的树脂结构的矩形扭波导的侧壁上蚀刻有若干均匀的矩形缝以方便电镀液更均匀的覆盖在滤波器的内表面，以减少金属化过程中由于金属化质量较差引入的误差，同时也能一定程度减轻滤波器的重量。进一步优选的，以上矩形缝的方向沿着波导内壁电流方向设置。
11.本发明的有益效果在于：1、本发明在实现结构紧凑的同时，实现带通滤波、波导极化方向的90度旋转以及h面的90度弯转，从而更好地与系统的其他部件相连接，并具有减小体积和消除连接损耗的优势，满足了现代通信系统小型化、集成化、多功能化的发展需求；2、该滤波器采用3d打印技术制造实现该器件的一体化加工，减少了后期组装可能带来的误差以及节省加工时间，使其能实现更高的设计灵活性、更低的交付周期和成本、减少材料浪费，利用非金属材料表面的金属化处理，实现了轻型化需求；
3、混合使用容性耦合窗口和感性耦合窗口可以均匀两端的带外抑制，带外抑制效果更好；4、在输入/输出馈电波导终端加上对应频段的波导法兰结构使其能与波导系统其他组件相连接，在金属模型的侧壁蚀刻了一些均匀的矩形缝，方便打印完成后进行表面金属化时电镀液能够更均匀的进入滤波器内部；5、整个结构由四个渐变扭转的谐振器以及输入输出的馈电波导组成，其中相邻谐振器以及输入输出馈电波导与谐振器之间均由金属耦合窗提供电磁场的耦合，从而在实现波导极化方向旋转的同时能够实现h面的旋转，合理的尺寸设计减少了回波损耗。
附图说明
12.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中，图1是本发明的滤波器的空气腔模型示意图；图2是本发明的耦合窗结构示意图，并且其中，左侧为感性耦合窗结构示意图，右侧为容性耦合窗示意图；图3是本发明的滤波器金属模型示意图；图4是本发明的波导法兰盘结构示意图；图5是本发明的滤波器磁场分布图；图6是本发明的滤波器实物图；图7是本发明的不同耦合窗组合仿真对比图图8是本发明的滤波器的仿真测试结果曲线图；其中，r-中间矩形扭波导圆弧半径，a-矩形波导长边长度，b-矩形波导窄边长度，l
p-输入/输出馈电矩形波导段长度，θ
s-中间矩形扭波导起始端与相邻的第一个金属耦合窗对应角度，θ
i-第i个谐振器对应的角度，θ
l-中间矩形扭波导终端与相邻的第五个金属耦合窗对应角度，w
i-第i个感性耦合窗对应的缝宽，h-容性耦合窗对应的缝高；其中，i为大于等于1的正整数。
具体实施方式：
13.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
14.如图1-6所示，本发明提供一种一体化加工的滤波器，包括两个波导法兰盘和连接在两个波导法兰盘之间且与两个波导法兰盘一体加工的中间矩形扭波导，其中，如图3-4所示，波导法兰盘中部开设有矩形通孔结构以形成矩形波导的输入/输出馈电部分，也即图1所示的源端和负载端；如图1-2所示，中间矩形扭波导由金属材料制成矩形截面(即为矩形波导结构)，内部填充空气介质从而使得电磁波被束缚在矩形腔内进行传播，在中间矩形扭波导中形成有金属膜片以作为金属耦合窗；金属耦合窗为多个，对于每一金属耦合窗，其金属膜片对称分布在矩形波导的两侧，对称分布在矩形波导两侧的两金属膜片之间形成缝隙，各金属膜片对应的缝隙边缘与矩形波导外框平行(这样设置可以改变波导内的电磁场分布)；根据金属膜片的分布方式，金属耦合窗分为感性耦合窗和容性耦合窗，参见图2，金属膜片对应的缝隙边缘平行于矩形波导的窄边b为感性耦合窗，金属膜片对应的缝隙边缘
平行于矩形波导长边a为容性耦合窗。
15.优选的，中间矩形扭波导为1/4圆弧的扭转波导，其能够经过扭转和弯曲在实现波导极化方向旋转的同时实现波导端口90度的旋转；进一步优选的，1/4圆弧的扭转波导自源端向负载端依次由图2所示的容性耦合窗(记为第一金属耦合窗)、感性耦合窗(记为第二金属耦合窗)、感性耦合窗(记为第三金属耦合窗)、感性耦合窗(记为第四金属耦合窗)和容性耦合窗(记为第五金属耦合窗)分割为4个谐振腔，分别为谐振器一、谐振器二、谐振器三、谐振器四，具体的，输入馈电波导即源端与谐振器一之间采用容性耦合窗，谐振器一与谐振器二之间采用感性耦合窗，谐振器二与谐振器三之间采用感性耦合窗，谐振器三与谐振器四之间采用感性耦合窗，谐振器四与输出馈电波导即负载端采用容性耦合窗。早期的设计是采用单一的感性耦合窗，根据相关研究发现混合使用容性耦合窗和感性耦合窗能够在一定程度上均衡通带两端的带外抑制，本发明通过对全容性耦合窗口、全感性耦合窗口和混合耦合窗口进行仿真分析结果如图6，可以看出使用容性耦合窗口时高端带外抑制效果较好，使用感性耦合窗口时低端带外抑制效果较好，而混合使用容性耦合窗口和感性耦合窗口可以均匀两端的带外抑制。
16.如图1所示，各金属耦合窗将中间矩形扭波导分为六段，各段对应的圆弧角度为记为θs、θ1、θ2、θ3、θ4、θ
l
，优选的，θs＝θ
l
，θ1＝θ4、θ2＝θ3，且θ1》θ2》θs。这样设置，达到的带外抑制效果最佳并且其尺寸在加工精度范围内，可以实际进行生产。具体的，矩形波导的长边和窄边分别为对应工作ku频段矩形波导的标准尺寸a＝15.799mm，b＝7.899mm，输入/输出馈电矩形波导段长度l
p
＝8mm，中间矩形扭波导部分是以r＝40mm的90度圆弧为其中心轴线，谐振器与耦合窗的尺寸在设计时均采用角度来度量，其中θs＝θ
l
＝4.73
°
为中间矩形扭波导起始端和终端与对应的相邻的第一和第五金属耦合窗的角度，θ1＝θ4＝21.52
°
为谐振器一和谐振器四对应的角度，θ2＝θ3＝18.76
°
为谐振器二和谐振器三对应的角度；源端与谐振器一之间的容性耦合窗对应的缝隙高度h＝2.43mm，谐振器一与谐振器二之间的感性耦合窗对应的缝隙宽度w1＝5.39mm，谐振器二与谐振器三之间的感性耦合窗对应的缝隙宽度w2＝5.94mm，谐振器三与谐振器四之间的感性耦合窗对应的缝隙宽度w3＝w1＝5.39mm，负载端与谐振器四之间的容性耦合窗对应的缝隙高度h＝2.43mm，呈渐变式对称分布(耦合窗缝隙宽以及各段对应的圆弧角度)，矩形波导的工作模式为te101模，图5为空气腔模型仿真后的磁场分布图，可以看出随着扭波导的弯转，其磁场与随之旋转，此结构可以实现波导内电磁波极化方向的旋转。
17.优选的，本发明的一体化加工的滤波器由金属材料制成，可以是全部材料均为金属材料，也可以还是在非金属材料表面进行表面金属化处理。
18.进一步优选的，本发明的一体化加工的滤波器采用3d打印技术制造实现该器件的一体化加工，具体的加工方法为，金属模型仿真完成后将其转化为stl文件，用3d打印技术中的高精度立体光固化(sla)技术采用树脂材料进行打印，打印精度为30～50μm，在3d打印之前，通过结构补偿减去镀铜的厚度，实现滤波器的频率偏移最小化；在打印之前将滤波器的模型正确的放置，以确保堆叠的材料能够自我支撑，这种情况下就无需在空腔内使用树脂支撑结构，这可以避免内部支撑机构去除不完全导致的内表面粗糙，可以得到更光滑的内表面。在打印和清洁滤波器的模型后等待树脂固化后，将8～10μm厚的铜镀到印刷树脂上。具体采用化学镀铜的方法对sla打印的树脂结构进行表面金属化，首先去除树脂结构表
面的污垢，接着进行表面活化，然后通过粗化剂对其进行化学刻蚀，之后干燥，浸泡模型使树脂上沉积一薄层催化剂，最后利用化学镀镍溶液进行滚镀，在前期催化剂作用下，镀上0.2-0.4μm厚的镍层，再利用镀铜溶液镀一层8～10μm厚的铜。
19.优选的，在高精度立体光固化打印树脂结构时，为了便于后期的表面金属化处理，在所打印的树脂结构的矩形扭波导的侧壁上蚀刻有若干均匀的矩形缝以方便电镀液更均匀的覆盖在滤波器的内表面，以减少此金属化过程中由于金属化质量较差引入的误差，同时也能一定程度减轻滤波器的重量。进一步优选的，以上矩形缝的方向沿着波导内壁电流方向设置，能够避免切割内壁电流，因而这些矩形缝带来的辐射可以忽略。其仿真后的结果如图7所示。
20.优选的，在保留图1空气腔模型中的金属膜片的基础上，在谐振腔的四壁加上3mm厚度的金属层将其围绕成为一个金属扭波导，并在输入输出馈电波导段加上本实例工作频率对应的标准ubr 140波导法兰盘如图4所示，方便后续对滤波器实物进行测试分析，其具体的尺寸为a＝33.3mm，e＝12.14mm，f＝12.63mm，孔径的直径为4.085mm。
21.图6所示为滤波器的加工实物图。实物的最终尺寸为91.4mm
×
43.4mm
×
33.3mm，重量仅为24.2g，相比传统的金属滤波器能够实现轻量化，测试采用的矢量网络分析仪为agilente8363b，测试结果与仿真数据的对比如图8所示。由测试可以看出，与仿真结果相比其通带与带宽的偏差可忽略不计，通带中心位于15ghz，相对带宽为4％，通带的回波损耗优于13db，通带内的插入损耗为0.85db，略高于仿真结果，可能是由于镀铜流程中表面粗糙度较大引起的。总而言之实物器件的测试性能较好。
22.显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。