3D打印X波段CT结构球形腔波导带通滤波器及制作方法技术

本发明专利技术公开了一种3D打印X波段CT结构球形腔波导带通滤波器及制作方法。由三个球形谐振腔和输入输出馈电波导构成，三个谐振腔之间为磁耦合，从信号入口S到信号出口L之间就会形成两条路径，1号谐振腔与3号谐振腔之间存在交叉耦合能在高阻带产生1个传输零点，通过CST软件仿真，最终依照CT结构球形腔滤波器的整体结构，运用3D打印技术制备器件实物。

【技术实现步骤摘要】
3D打印X波段CT结构球形腔波导带通滤波器及制作方法
本专利技术涉滤波器设计、3D打印领域，尤其涉及一种具备CT拓扑结构的球形腔波导带通滤波器设计方案。
技术介绍
滤波器作为系统中对信号进行分离的重要器件，为了适应现代化器件设计需求，在实现物理尺寸小型化的同时，尽可能兼具有高选择性、低插损、带外抑制、良好的品质因数等优异性能特征则尤为重要。目前而言，传统的非交叉耦合滤波器(如最大平坦滤波器、切比雪夫滤波器等)为了在性能上实现更高的选择性，只能牺牲物理尺寸，依靠增加滤波器谐振腔的个数(即增加滤波器的阶数)的方式来实现。这样不仅难以满足现代微波器件小型化的设计原则，同时还增加了制备成本和后期调试的时间，也对实现低插损、高选择性、高无载品质因数等性能带来了设计上的困难。相较而言，广义切比雪夫滤波器能减少滤波器的阶数数量，在有限阶数下能实现高选择性、低插损等性能需求。工作频率为X波段(8-12Hz)的带通滤波器具有重要的军民应用价值，从耦合形式、结构形式、制造工艺上而言，本专利技术具有如下优势特征：从耦合形式来讲，本专利技术为基于广义切比雪夫原理的CT(CascadedTriplet)拓扑结构滤波器，采用交叉耦合的方式，能够在有限阶数下实现高选择性、低插损和高带外抑制等性能，同时具有几何排布方便、传输零点设置灵活、调试方便、可批量生产、设计快速等优势；从结构形式来讲，本专利技术X波段CT结构滤波器采用的球形腔具有一定的优势，其无载品质因数相比矩形腔和圆柱腔明显更高，因此基于该谐振腔设计的滤波器可以获得很低的通带插入损耗；从制造工艺而言，本专利技术所提出的X波段CT结构球形腔滤波器，采用3D打印技术制造，且具有一体化制造的优势，即：法兰盘、输入输出波导、滤波器一体化制造，省去了后期装配和调试等环节。在工程上极大的降低了生产周期和生产成本。同时，通过沿着谐振腔的主模TM101的电流方向开窄缝的方式，使电镀液能够更好的进入谐振腔，让滤波器的电镀效果更好。由于这些缝隙没有切断TM101模式的电流。所以对滤波器的通带性能没有影响。综上所述，本专利技术提供的基于3D打印技术的X波段CT结构球形腔波导带通滤波器，能够实现小型化器件的性能参数提升，采用3D打印后设计的经济、时间成本可控，兼顾了器件的高性能、低成本和小型化的需求。
技术实现思路
本专利技术提出了一种基于3D打印的X波段CT结构球形腔波导带通滤波器，如图1所示，包括三个球形谐振腔、输入馈电波导、输出馈电波导、法兰盘，三个谐振腔之间为磁耦合，从信号入口S到信号出口L之间就会形成两条路径，即信号入口S-1号球形谐振腔-3号球形谐振腔-信号出口L和信号入口S-1号球形谐振腔-2号球形谐振腔-3号球形谐振腔-信号出口L，1号谐振腔与3号谐振腔之间存在交叉耦合能在高阻带产生1个传输零点，三个球形谐振腔呈三角形布置，1号球形谐振腔位于三角形左下方，2号球形谐振腔位于三角形顶端，3号球形谐振腔位于三角形右下方，大的波导腔到小的波导腔之间的比例系数比例系数s＝0.755,三个球形腔的半径r1＝r3＝13.38mm,r2＝13.26mm,相邻球形腔之间的耦合膜片直径l1＝l2＝13mm,l3＝13.8mm。优选的，所述X波段CT结构带通滤波器剖面结构存在和输入输出方向相同的三个开槽，且三个开槽中填充了石墨烯结构，且开槽两侧的金属涂层延展压到石墨烯结构的边缘用于加电压控制石墨烯的状态。优选的，所述的X波段CT结构带通滤波器剖面结构分为五层结构，其中最外层结构为金属涂层，中间层结构为绝缘且轻便的复合材料，中间结构内侧为3D打印的铜金属材料层，铜金属材料层内部为金材料结构层，最内部为相对电介质常数ε＝0空气腔结构。优选的，基于SLA-3D打印技术的CT结构球形腔体滤波器。优选的，所述3D打印技术中，球形腔上具有开缝，使得器件内部镀层更加均匀，且缝隙不会切割主模TM101的表面电流。基于3D打印X波段CT结构球形腔波导带通滤波器，我们还设计了其制作方法：第一步，设定滤波器性能指标，中心频率为9GHz，相对带宽为5％，回波损耗优于30dB，传输零点位于9.6GHz；第二步，根据上述指标，通过耦合矩阵理论计算滤波器的耦合系数和外部品质因数及具体物理尺寸，对球型谐振腔滤波器的相邻谐振腔之间耦合系数Mij和外部品质因数Qe进行参数提取，i,j＝1,2,3。优选的，所涉及的3D打印技术为SLA技术，将加工模型转化为STL文件之后，输入3D打印机器，选择合适的加工方向与支撑结构进行打印，得到成品，该加工工艺的加工精度为0.01mm。优选的，将成型的器件放入丙酮溶液后干燥，从而去除表面残留树脂，降低表面粗糙度；根据趋肤效应原理，对器件表面镀金属获得电特性；厚度为7倍的趋肤深度。本专利技术所述的CT结构带通滤波器的耦合相位特性，如图2所示，低阻带时,谐振腔的阻抗表现为容性,相应的相移为+90°。高阻带时,谐振腔的阻抗表现为感性,相应的相移为-90°；由于三个谐振腔之间的耦合特性为感性,故产生的相移为-90°.在低阻带时,耦合路径1-2-3的相位和为+90°-90°+90°-90°+90°＝90°.耦合路径1-3的相位和为+90°-90°+90°＝90°.这两条路径之间的相位差为0°,故两条路径的信号不能相互抵消,因此低阻带不存在传输零点.在高阻带时,耦合路径1-2-3的相位和为-90°-90°-90°-90°-90°＝-450°.耦合路径1-3的相位和为-90°-90°-90°＝-270°,它们之间的相位差为180°.当两条路径之间的信号幅度相等时,能在高阻带产生一个传输零点.该滤波器工作于X波段，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。方案中球形谐振腔滤波器具备的耦合系数为M12、M23和M13。如图3所示为提取相邻两个球形腔之间耦合系数的模型示意图。其中输入和输出耦合为弱耦合，相邻球形腔之间耦合大小的调节可以通过改变它们之间的圆柱形耦合膜片的直径l来实现；方案中球形谐振腔滤波器具备的外部品质因数为Qe，图4为提取外部品质因数Qe的模型示意图。其中一边波导与球形腔之间的耦合为弱耦合，通过调节另一边波导与球形腔之间的耦合来控制外部品质因数Qe的大小。该耦合用宽度为a˙s，高度为b˙s的矩形耦合窗口表示。这里a和b分别表示标准矩形波导的宽度和高度,s表示比例系数；本专利技术所述的CT结构球形腔滤波器的剖面图如图5所示，其包含的物理结构参数有比例系数s，三个球形腔的半径r1、r2和r3，球形腔之间的耦合膜片直径l1、l2和l3等.由于对称性,球形腔的半径满足条件r1＝r3,相邻球形腔之间的耦合膜片直径满足l1＝l2。本专利技术所涉及的3D打印技术为SLA技术，将加工模型转化为STL文件之后，输入3D打印机器，选择合适的加工方向与支撑结构进行打印，可以得到成品，如图6所示。本专利技术所述的X波段CT结构带通滤波器剖面结构如图12所示，带通滤波器的结构分为五层结构，其中最外层结构为金属涂层，中间层结构为绝本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种3D打印X波段CT结构球形腔波导带通滤波器，其特征在于：包括三个球形谐振腔、输入馈电波导、输出馈电波导、法兰盘，三个谐振腔之间为磁耦合，从信号入口S到信号出口L之间就会形成两条路径，即信号入口S-1号球形谐振腔-3号球形谐振腔-信号出口L和信号入口S-1号球形谐振腔-2号球形谐振腔-3号球形谐振腔-信号出口L，1号谐振腔与3号谐振腔之间存在交叉耦合能在高阻带产生1个传输零点，三个球形谐振腔呈三角形布置，1号球形谐振腔位于三角形左下方，2号球形谐振腔位于三角形顶端，3号球形谐振腔位于三角形右下方，大的波导腔到小的波导腔之间的比例系数s＝0.755,三个球形腔的半径r

【技术特征摘要】
1.一种3D打印X波段CT结构球形腔波导带通滤波器，其特征在于：包括三个球形谐振腔、输入馈电波导、输出馈电波导、法兰盘，三个谐振腔之间为磁耦合，从信号入口S到信号出口L之间就会形成两条路径，即信号入口S-1号球形谐振腔-3号球形谐振腔-信号出口L和信号入口S-1号球形谐振腔-2号球形谐振腔-3号球形谐振腔-信号出口L，1号谐振腔与3号谐振腔之间存在交叉耦合能在高阻带产生1个传输零点，三个球形谐振腔呈三角形布置，1号球形谐振腔位于三角形左下方，2号球形谐振腔位于三角形顶端，3号球形谐振腔位于三角形右下方，大的波导腔到小的波导腔之间的比例系数s＝0.755,三个球形腔的半径r1＝r3＝13.38mm,r2＝13.26mm,相邻球形腔之间的耦合膜片直径l1＝l2＝13mm,l3＝13.8mm。


2.根据权利要求1所述的一种3D打印X波段CT结构球形腔波导带通滤波器，其特征在于，所述X波段CT结构带通滤波器剖面结构存在和输入输出方向相同的三个开槽，且三个开槽中填充了石墨烯结构，且开槽两侧的金属涂层延展压到石墨烯结构的边缘用于加电压控制石墨烯的状态。


3.根据权利要求2所述的一种3D打印X波段CT结构球形腔波导带通滤波器，其特征在于，所述的X波段CT结构带通滤波器剖面结构分为五层结构，其中最外层结构为金属涂层，中间层结构为绝缘且轻便的复合材料，中间结构内侧为3D打印的铜金属材料层，铜金属材料层内部为金材料结构层，最内部为相对电介质常数ε＝0空气腔结构。
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【专利技术属性】
技术研发人员：李若琛，徐军，林怡呈，张帆，张翊，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51