一种Ka波段集成化滤波功分器设计

吴思凡，李建星，曹元熙，闫 森，陈 娟

(西安交通大学 信息与通信工程学院，陕西 西安 710049)

0 引言

在通信系统及探测系统中，滤波器和功分器等微波无源器件已被广泛应用[1-2]。随着现代通信系统集成度的提升，该类器件正朝着低损耗、集成化、高功率容量方向发展[3]。现阶段常见的滤波及功分电路大多为基于平面印制电路板(Printed Circuit Board,PCB)技术的设计，该类设计具有加工精度高、剖面低等优势[4-5]。但微带传输线具有在毫米波段损耗大、功率容量小等劣势。相较于微带电路，空气填充的金属波导传输线结构由于其损耗低、功率容量大和机械强度高等优势，在雷达探测与卫星通信领域得到了广泛应用[6-7]。同时，为了进一步实现器件的集成化，避免器件级联间的损耗，设计基于全金属导波结构的滤波功分器具有重要研究意义。

为了降低该类器件的制作成本及难度，三维打印技术正在逐渐运用于微波毫米波器件的制作[8]。以选择性激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)[9]为代表的金属三维打印技术和立体光固化成型(Stereo Lithography Apparatus,SLA)[10]为代表的非金属打印技术在无源器件加工方面具有显著优势，尤其是对于结构复杂的零件加工以及一体化免组装、免焊接的器件制造。该类技术制作的波导腔体器件既可以有效地防止电磁能量泄露，又可以显著地降低加工成本。

关于滤波功分器的设计，国内外已经有团队进行研究。电子科技大学团队[11]设计了基于介质集成波导(Substrate Integrated Waveguide，SIW)的滤波功分器，该滤波功分器在毫米波频带实现两阶滤波与一分二功率分配，可作为低剖面毫米波天线的差分馈电网络。华南理工大学团队[12]在厘米波频段设计了微带滤波功分器,该器件可以实现二阶滤波器与一分二功分器的集成。美国普渡大学团队[13]在分米波频段研究了集成滤波功能的威尔金森功分器，该器件可以实现工作频带的可重构。韩国高丽大学团队[14]提出了一种中心频率为1 GHz在输出端口无反射响应的一分二滤波功分器结构，并且2个输出端口之间具有很高的隔离度。但由于该类器件均基于平面电路板的设计，效率与功率容量受到限制。截至目前，由金属波导进行集成化设计的滤波功分网络还鲜有研究。本文以低损耗、高集成和高功率容量等需求为导向，使用SLM金属三维打印技术，利用耦合矩阵理论，首先设计了一款四阶腔体滤波器；随后又集成化设计了一种Ka波段金属波导全谐振腔一分四的五阶滤波功分传输网络；最后打印了样机并进行了测试，仿真与实测结果具有良好的一致性。由于本设计具有效率高、损耗低、功率容量大等优势，使其非常适用于雷达和卫星通信系统。

1 滤波功分器的设计

本文提出的滤波功分器结构如图1所示，能量通过端口1输入，由端口2，端口3，端口4，端口5等幅度同相位输出。输入输出端口均为WR-28标准波导端口，传输网络采用空气填充的全金属波导结构。

图1 滤波功分器结构示意

1.1 耦合系数与外部品质因数的提取

在设计腔体滤波器时，首先通过公式计算以TE101模式在中心频率29 GHz谐振的矩形谐振腔尺寸。通过调节相邻谐振腔的窄边膜片间距u实现相邻谐振腔间的能量耦合。为了降低边界条件的影响，谐振腔与输入、输出波导均以弱耦合结构连接，如图2所示。通过对腔体间膜片间距的参数分析，计算出腔体间耦合系数K。通过调节第一级矩形腔与输入矩形波导之间的膜片尺寸实现外部品质因数的提取，输出端口采取弱耦合，如图3所示。提取后参数的结果与物理尺寸的关系如图4所示，可以看到随着腔体间膜片间距的增大，腔体间耦合系数K增大；随着输入波导与第一级谐振腔间膜片间距的提高，外部品质因数Q降低。

图2 耦合系数的提取

图3 外部品质因数的提取

图4 耦合系数和外部品质因数与物理尺寸变化的对应关系

1.2 四阶滤波器的设计

为了验证所提取耦合系数的准确性，首先设计了一个切比雪夫型的四阶腔体滤波器。中心频率为29 GHz，相对带宽为13.6%，带内回波损耗优于15 dB。归一化耦合系数与外部品质因数满足：

(1)

(2)

(3)

(4)

将计算出的耦合系数和外部品质因数与图4相对应，确定参数初值，建立滤波器空气模型，如图5所示。根据谐振腔的微扰原理，谐振频率会有所偏移，根据真实的边界条件，对滤波器的物理尺寸进行优化。经过仿真优化后的参数值为：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。该滤波器的仿真结果如图6所示，采用波端口馈电(a×b=7.112 mm×3.556 mm)。可以看到回波损耗优于15 dB的带宽为27.0～30.9 GHz。

图5 四阶滤波器空气模型

图6 四阶滤波器散射参数的仿真结果

1.3 滤波功分器的设计

图7 滤波功分器结构拓扑图

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

滤波功分器空气模型如图8所示，对照图4可以确定初始参数。仿真优化后的参数值为：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。为了便于后期测量，该设计的接口均采用标准WR-28(a×b=7.112 mm×3.556 mm)波导端口。

图8 滤波功分器空气模型

滤波功分器的仿真散射参数结果如图9所示。该传输网络可以在27.1～30.8 GHz实现优于14 dB的回波损耗，4个输出端口插入损耗约为6.3 dB。高于33 GHz与低于26.5 GHz的频率范围带外抑制超过30 dB。由于腔体采用五阶滤波器设计，在通带内可以清晰地观察到5个谐振极点。图10为输出相位的仿真结果，由于采用类似魔T网络H面波导设计，4个输出端口的相位相同。

图9 滤波功分器散射参数的仿真结果

图10 滤波功分器输出相位的仿真结果

2 滤波功分器的加工与测试

设计的器件在国家增材制造创新中心进行打印加工。制作工艺为SLM金属三维打印技术，所用材料为AlSi10Mg，器件进行喷棕刚玉砂表面处理。采用安捷伦E8363B矢量网络分析仪测量散射参数[16]。

2.1 金属直波导损耗标定

为了测量本次三维打印金属的等效电导率，加工并测试了一款Ka波段70 mm长的直波导，如图11所示。通过测量其插入损耗约为0.13 dB并在仿真软件中进行修正，确定本次加工的金属等效电导率为1.15×107S/m，仿真及测试结果如图12所示。

图11 SLM打印的直波导

图12 SLM打印的直波导散射参数

2.2 四阶滤波器测试

SLM工艺打印的四阶滤波器实物如图13所示。四阶滤波器的测量结果如图14所示，该滤波器可以在27.5～31.4 GHz的频带内实现优于15 dB的回波损耗以及最大0.29 dB的插入损耗，仿真与测试结果基本一致。需要注意的是，实测带宽比仿真向高频偏移0.5 GHz。具体原因分析是金属在进行激光烧结打印过程中，成型尺寸与仿真设计相同，但打印结束后，金属冷却收缩，造成空气结构尺寸缩小，从而使滤波器通带向高频发生偏移[17-18]。

图13 SLM打印的四阶滤波器

图14 SLM打印的四阶滤波器实测散射参数

2.3 五阶滤波功分器测试

为了补偿激光烧结后的遇冷收缩效应，对五阶滤波功分器尺寸放大1%进行加工。加工后滤波功分器的整体尺寸为58 mm×46 mm×18 mm。加工的样件如图15所示。在测量反射系数时，4个输出端口均连接波导匹配负载，依次测量传输系数时，其余3个输出端口连接波导匹配负载。滤波功分器的测试散射参数结果如图16所示。滤波功分器在27.2～30.8 GHz内，可以实现优于14 dB的回波损耗，4个输出端口实现约6.4 dB的插入损耗。可以清楚地观察到通带内5个谐振极点。输出相位测试结果如图17所示，4个输出相位相同，仿真与测试结果一致。

图15 SLM打印的滤波功分器

图16 SLM打印的滤波功分器实测散射参数

图17 SLM打印的滤波功分器实测输出相位

3 结束语

本文提出了一款基于金属三维打印技术的Ka波段集成化滤波功分器。在五阶滤波器设计基础上，通过调整腔体间耦合系数实现了功率分配，因此传输网络同时实现了滤波与等幅同相功率分配，对系统的小型化有着重要意义。此外，金属三维打印技术极大地降低了加工成本，确保了加工精度，帮助实现了器件的一体成型。该传输网络全金属波导结构也使得该器件具有更大的功率容量和更低的损耗，该优势使其非常适用于雷达和卫星通信系统。