一種Ka波段集成化濾波功分器設計

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

在通信系統及探測系統中，濾波器和功分器等微波無源器件已被廣泛應用[1-2]。隨著現代通信系統集成度的提升，該類器件正朝著低損耗、集成化、高功率容量方向發展[3]?，F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)技術的設計，該類設計具有加工精度高、剖面低等優勢[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構由于其損耗低、功率容量大和機械強度高等優勢，在雷達探測與衛星通信領域得到了廣泛應用[6-7]。同時，為了進一步實現器件的集成化，避免器件級聯間的損耗，設計基于全金屬導波結構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和立體光固化成型(Stereo Lithography Apparatus,SLA)[10]為代表的非金屬打印技術在無源器件加工方面具有顯著優勢，尤其是對于結構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。

關于濾波功分器的設計，國內外已經有團隊進行研究。電子科技大學團隊[11]設計了基于介質集成波導(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絡。華南理工大學團隊[12]在厘米波頻段設計了微帶濾波功分器,該器件可以實現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，該器件可以實現工作頻帶的可重構。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的一分二濾波功分器結構，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計的濾波功分網絡還鮮有研究。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，利用耦合矩陣理論，首先設計了一款四階腔體濾波器；隨后又集成化設計了一種Ka波段金屬波導全諧振腔一分四的五階濾波功分傳輸網絡；最后打印了樣機并進行了測試，仿真與實測結果具有良好的一致性。由于本設計具有效率高、損耗低、功率容量大等優勢，使其非常適用于雷達和衛星通信系統。

1 濾波功分器的設計

本文提出的濾波功分器結構如圖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，傳輸網絡采用空氣填充的全金屬波導結構。

圖1 濾波功分器結構示意

1.1 耦合系數與外部品質因數的提取

在設計腔體濾波器時，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。通過調節相鄰諧振腔的窄邊膜片間距u實現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構連接，如圖2所示。通過對腔體間膜片間距的參數分析，計算出腔體間耦合系數K。通過調節第一級矩形腔與輸入矩形波導之間的膜片尺寸實現外部品質因數的提取，輸出端口采取弱耦合，如圖3所示。提取后參數的結果與物理尺寸的關系如圖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，外部品質因數Q降低。

圖2 耦合系數的提取

圖3 外部品質因數的提取

圖4 耦合系數和外部品質因數與物理尺寸變化的對應關系

1.2 四階濾波器的設計

為了驗證所提取耦合系數的準確性，首先設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%，帶內回波損耗優于15 dB。歸一化耦合系數與外部品質因數滿足：

(1)

(2)

(3)

(4)

將計算出的耦合系數和外部品質因數與圖4相對應，確定參數初值，建立濾波器空氣模型，如圖5所示。根據諧振腔的微擾原理，諧振頻率會有所偏移，根據真實的邊界條件，對濾波器的物理尺寸進行優化。經過仿真優化后的參數值為：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。該濾波器的仿真結果如圖6所示，采用波端口饋電(a×b=7.112 mm×3.556 mm)?？梢钥吹交夭〒p耗優于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的仿真結果

1.3 濾波功分器的設計

圖7 濾波功分器結構拓撲圖

(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。仿真優化后的參數值為：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結果如圖9所示。該傳輸網絡可以在27.1～30.8 GHz實現優于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計，在通帶內可以清晰地觀察到5個諧振極點。圖10為輸出相位的仿真結果，由于采用類似魔T網絡H面波導設計，4個輸出端口的相位相同。

圖9 濾波功分器散射參數的仿真結果

圖10 濾波功分器輸出相位的仿真結果

2 濾波功分器的加工與測試

設計的器件在國家增材制造創新中心進行打印加工。制作工藝為SLM金屬三維打印技術，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矢量網絡分析儀測量散射參數[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

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果如圖14所示，該濾波器可以在27.5～31.4 GHz的頻帶內實現優于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打印過程中，成型尺寸與仿真設計相同，但打印結束后，金屬冷卻收縮，造成空氣結構尺寸縮小，從而使濾波器通帶向高頻發生偏移[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

2.3 五階濾波功分器測試

為了補償激光燒結后的遇冷收縮效應，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。在測量反射系數時，4個輸出端口均連接波導匹配負載，依次測量傳輸系數時，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結果如圖16所示。濾波功分器在27.2～30.8 GHz內，可以實現優于14 dB的回波損耗，4個輸出端口實現約6.4 dB的插入損耗。可以清楚地觀察到通帶內5個諧振極點。輸出相位測試結果如圖17所示，4個輸出相位相同，仿真與測試結果一致。

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

圖17 SLM打印的濾波功分器實測輸出相位

3 結束語

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