Волноводный фильтр 26,2-28,8 ГГц на объемных резонаторах, изготовленный методом селективного лазерного плавления порошка из нержавеющей стали
В ходе разработки радиоаппаратуры с рабочими частотами выше 18 ГГц возникло желание реализовать часть аналогового тракта на волноводах. Особенный интерес представляют волноводные фильтры. По сравнению с распространенными вариантами микрополосковых фильтров, выполненных на доступных диэлектрических подложках типа RO4003, волноводные фильтры имеют более высокую добротность, которая обеспечивает более низкие потери и крутые скаты амплитудно-частотной характеристики (АЧХ).
В частности, в волноводных фильтрах без заполнения такой существенный параметр для диэлектрических подложек как тангенс диэлектрических потерь (Dielectric Constant ԑr) в принципе отсутствует. Нет диэлектрика - нет проблем, остаются только потери в металле, которые минимизируются серебрением.
После реализации нескольких волноводных фильтров стали очевидны их недостатки: требования к точности фрезеровки, высокий вес и размеры. Одна из альтернатив - напечатать фильтр металлом.
Ниже (рис. 1) представлен волноводный СВЧ-фильтр Ka-диапазона, изготовленный из деталей, напечатанных на 3D принтере. На рисунках 2 и 3 показаны его основные характеристики. Материал фильтра - нержавеющая сталь, внешняя часть покрыта серебром. Размер волноводных портов совместим со стандартом WR28 (7,12x3,56 mm).
Основные параметры фильтра
Наименование параметра | Значение | Ед. измерения |
Полоса пропускания по уровню -1 дБ | 26,65 - 28,87 | ГГц |
Полоса пропускания по уровню -3 дБ | 26,13 - 28,96 | ГГц |
Минимальное затухание в полосе пропускания | 0,6 | дБ |
Возвратные потери в полосе по уровню -1 дБ, не менее | 8,7 | дБ |
Нижняя полоса заграждения с подавлением более 60 дБ | 0 - 25,33 | ГГц |
Верхняя полоса заграждения с подавлением более 60 дБ | 29,85 - 40,64 | ГГц |
Коэффициент прямоугольности фильтра по уровню -3/-30 дБ | 1,36 | - |
Коэффициент прямоугольности фильтра по уровню -3/-60 дБ | 1,6 | - |
Размеры ДхШхВ | 100х20х20 | мм |
На рисунке 4 показаны детали после 3D печати, из которых собран фильтр.
Первое, что бросается в глаза при взгляде на результат печати, это шероховатость. Шероховатость с внешней стороны фильтра связана с технологическими поддержками, которые были удалены после печати. Шероховатость внутри фильтра связана уже с технологией спекания металлического порошка во время печати.
Несмотря на очевидную неровность поверхности, фильтр работает, что ставит под сомнения переживания по поводу шероховатости поверхности внутри фильтра. Соответственно, требовать низкую шероховатость внутри фильтра при производстве, в том числе фрезерованием, видится сомнительным.
Подробнее о фильтре
Фильтр разработан под стандартный волноводный фланец WR28 (размер волновода - 7,12x3,56 mm). В структуре присутствует 10 резонаторов и трансформаторы на входе и выходе.
Было желание сделать по максимально доступной технологии, не теряя качество, чтобы изделие имело максимум конкурентных преимуществ перед традиционной технологией фрезеровки. Поэтому был выбран самый доступный материал для 3D печати металлом - нержавеющая сталь. 3D принтеры, на которых печатались образцы, также используются в медицине для печати зубных протезов. Сама технология известна как метод селективного лазерного плавления металлического порошка или Selective laser melting (SLM).
Конструкция фильтра была разработана таким образом, чтобы избежать необходимости установки технологических поддержек внутри фильтра во время печати, а также иметь возможность изготовить фильтр стандартным методом фрезеровки для сравнения параметров.
После печати две одинаковые половинки фильтра (рис. 4) соединяются вместе и скручиваются винтами (рис. 1).
Особенности технологии
Данная конструкция фильтра изготовлена из двух половинок.
Изготовление литой конструкции по выбранной технологии не представляется возможным, поскольку в этом случае для верхней поверхности фильтра изнутри нужно будет печатать технологические поддержки, чтобы она не прогибалась вниз во время печати. Поместить внутрь фильтра технологические поддержки - это исключено, так как программа 3D печати делает это случайным образом, что превращает микроволновый фильтр в какой-то другой.
Если делать фильтр, у которого поверхности будут под некоторым углом к плоскости печати, например 45 градусов, и исключать горизонтальные нависающие поверхности, тогда можно пробовать обойтись без поддержек. Но такая геометрия фильтра будет более сложной для расчета, что в данном случае не обосновано.
Материал фильтра - нержавеющая сталь. В потенциале можно заменить материал на алюминий, что значительно уменьшит вес и вносимые потери в фильтре до серебрения. Однако, от него иногда стремятся отказаться по причине особенностей взаимодействия исходного материала (металлического порошка) с воздухом.
Фракция гранул исходного материала - 20-45 мкм. Толщина слоя - 50 мкм, время печати - 1,5 часа. На данном оборудовании был вариант сделать толщину слоя 25 мкм, что увеличило бы точность печати, но в целях сокращения времени и, соответственно, стоимости печати, оставили 50 мкм.
Особенности доработки деталей фильтра после печати
Для уменьшения зазоров между деталями фильтра (после их соединения) поверхности соприкосновения отшлифовали. Внешний вид не отшлифованной поверхности деталей фильтра и поверхностей после шлифовки показан на рисунке 5.
Были проведены измерения характеристик фильтра после сборки при различных вариантах доработки его деталей:
без доработки;
шлифование поверхностей деталей в местах соприкосновения;
серебрение деталей после шлифования в местах соприкосновения.
На рисунке 6 представлены характеристики фильтра при различных вариантах доработки деталей, а также расчетные характеристики фильтра без потерь и характеристика соединения коаксиально-волноводных переходов (КВП), между которыми устанавливался фильтр для измерений.
На рисунке 6 видно, что после шлифовки поверхностей деталей в местах соприкосновения (переход красного графика к синему) уменьшились вносимые потери. АЧХ фильтра сместилась по частоте вверх, что вполне ожидаемо, так как размер волновода по широкой стенке (размер b) был уменьшен. Уменьшение широкой стенки волновода, по моему наблюдению, является доступным способом смещать центральную частоту подобных волноводных фильтров при настройке.
После серебрения (переход от синего графика к зеленому), как и ожидалось, вносимые потери резко уменьшились и, за вычетом потерь в КВП, составили 0,64 дБ в полосе пропускания в точке с минимальными потерями.
Сравнение с альтернативными вариантами изготовления фильтра
Сравнение с SIW фильтром
Один из альтернативных вариантов - изготовление фильтра на печатной плате по технологии Интегрированного в Подложку Волновода Substrate Integrated Waveguide (SIW). На рисунке 7 показан фильтр SIW, спроектированный сотрудниками ООО «СТЦ» на подложке RO4003.
На рисунке 8 показаны АЧХ волноводного фильтра, выполненного из деталей, напечатанных на 3D принтере, и SIW фильтра
Как видно из рисунка 8, фильтр по технологи SIW уступает в уровне вносимых потерь фильтру из деталей, напечатанных на 3D принтере. К тому же, технология SIW имеет более ограниченный выбор топологий фильтра. В данном случае паразитная полоса пропускания у SIW начинается при значительно меньших отстройках, чем у напечатанного фильтра. По технологичности и размерам SIW фильтр, разумеется, вне конкуренции, его длина почти в два раза короче рассматриваемого фильтра, толщина равна толщине платы (в данном случае - 1,12 мм).
Сравнение с фильтром, собранным из деталей, изготовленных фрезерованием
Структура фрезерованного фильтра такая же, как ранее рассмотренного, напечатанного на 3D принтере, но вместе с фильтром присутствует волноводный тракт, включающий волноводы и шесть поворотов на 90 градусов, что является причиной увеличения вносимых потерь (рис. 11). В данном случае технологию изготовления данного фильтра не следует считать причиной увеличения потерь в фильтре (изготовление отдельного фильтра вне тракта ради сравнения характеристик не выполнялось).
Характеристики фильтра представлены ниже.
Ниже показано сравнение характеристик напечатанного и фрезерованного фильтра.
Как видно из рис. 11, неравномерность и возвратные потери у фрезерованного фильтра значительно лучше. Объяснить это можно превосходящей точностью фрезеровки по сравнению с выбранной технологией 3D печати.
Выводы
Изготовление волноводных фильтров в Ka-диапазоне методом 3D печати вполне доступно.
Использование методов 3D печати позволяет реализовывать фильтры:
превосходящие по характеристикам фильтры на диэлектрических подложках;
значительно меньшей массой и, возможно, стоимостью, чем при изготовлении фильтров традиционным методом фрезерования;
нестандартной топологии без ограничений фрезеровки на размеры валов и отверстий и технологических ограничений микрополосковых фильтров.
На мой взгляд, с развитием точности и доступности аддитивных технологий преимущества изготовления элементов волноводного тракта с помощью 3D печати будут расти.