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.
Комментарии (23)
ZlobniyShurik
08.04.2022 11:15+1А не пробовали внутреннюю шероховатость как-нибудь сгладить? Не знаю, кислотой там, электролизом?
Просто, чтобы понять - а надо ли вообще копать в этом направлении?
ymikhail Автор
08.04.2022 11:43Не пробовал, да и не хотелось. Основной замысел был получить готовое изделие сразу после печати с минимумом доработок. Шероховатость, вызванную размерами гранул исходного материала, думаю нужно принять как данность. Судя по этому эксперименту следует копать в направлении точности (качества) печати в целом. На фото возможно не видно, но есть места где металл внутри фильтра немного прогнулся вглубь вдоль всего фильтра.
korj1987
08.04.2022 11:30+2Разрешите пару замечаний. Во-первых, это скорее фильтр не на объёмных резонаторах (хотя, по факту, резонаторы, таки-да, объемные), а на гофрированном волноводе (corrugated waveguide). Во-вторых, шероховатость внутренней поверхности волновода влияет на удельные потери (на единицу длины) - хотя, как видно из сравнения, не слишком сильно влияет - и на электрическую прочность волноводного устройства. Скажем, в авиационной и космической технике применимость такого фильтра требует дополнительного исследования.
order227
08.04.2022 11:39А в чем экономический смысл? Если правильно понимаю, то фрезерование будет дешевле и быстрее на мелких партиях, при этом качество поверхности существенно лучше. На крупных же сериях уже вполне себе окупается форма и литье. Или это просто эксперимент ради науки?
ymikhail Автор
08.04.2022 12:33+2Основные задачи которые побудили попробовать данную технологию это иметь возможность делать волноводные конструкции легкими и сложной геометрии без ограничений на диаметр и глубину фрезы.
Чтобы сделать конструкцию легкой можно делать тонкие полые стенки с ребрами жесткости внутри, выбор конструкции для использования преимуществ 3D печати это отдельная история.
Стоимость 3D печати во многом определяется объемом материала. Этот же самый фильтр можно пробовать делать со стенками толщиной менее 1 мм, что уменьшит объем расходуемого материала и время печати. Стоимость печати соответственно тоже уменьшится.
Фрезеровка этого же фильтра со стенками толщиной менее 1 мм будет продолжительной, так как фреза должна быть тонкой. Чем тоньше фреза тем требуется более медленная скорость ее перемещения (не вращения) чтобы избежать ее поломки.
Проще говоря время фрезеровки для тонких конструкций с глубокими узкими щелями может превысить время печати.
Форма и литье мне кажется не позволит выдержать требуемую точность изготовления, на этих частотах уход ключевых размеров на 0,01 мм уже заметен. В вопросы литья не погружался с уверенностью не отвечу.
Если кроме веса к конструкции предъявлять требования жесткости конструкции, тогда имеет смысл делать фильтр из нержавеющей стали, как в статье, или из титана. Фрезеровать или лить титан и нержавеющую сталь видится проблематичным, а для печати это типовые материалы.
order227
08.04.2022 17:05-1уход ключевых размеров на 0,01 мм уже заметен
То есть я правильно понимаю, что печать металлом позволяет получить точность лучше, чем 0.01 мм?
Вообще литье разное есть конечно, в оболочковую форму можно лить без мех обработки даже с подобной точностью, но правда тут уже не уверен, что будет дешевле. В целом спасибо за развернутый ответ!
j_aleks
08.04.2022 12:00+3на демонстрашках по металлической печати поверхности гораздо чище, здается мне, нужно поискать более технологичное производство.
wilczek
08.04.2022 12:39IMHO, сравнение с SIW фильтром выглядит несколько некорректно. Просто в силу того факта, что выбранный материал подложки (RO4003) является совершенно неподходящим для этих целей. Уместно было бы выбрать хотя бы RO3003 и посмотреть на результат.
ymikhail Автор
08.04.2022 16:07В сравнении использовал тот фильтр который был доступен (на RO4003), специально ради сравнения SIW фильтры не делали. Результаты считаю показательным в части верхней полосы заграждения и качественной оценки вносимых потерь. Соглашусь, что судя по описанию у RO3003 потери меньше.
Возможно если делать SIW фильтр на поликоре, реализуя переходные отверстия лазером с последующей металлизация, вносимые потери можно ожидать сопоставимые с волноводным фильтром, но тогда мы отходим от технологичности SIW.
wilczek
08.04.2022 19:36По поводу полосы запирания - возможно, дело в двухмодовом резонаторе?
И ещё вопрос по материалу - LoPro медь или обычная? На таких частотах - важный фактор.
DonAgosto
08.04.2022 14:16+2Будет ли работать аналогичный образец, только напечатанный пластиком на обычном 3D-принтере (допустим на фотополимерном для точности) и с металлизацией поверхности?
MaksimGolubtsov
08.04.2022 16:53+2Делали подобный опыт. Все работает, с поправкой на плохую поверхностную проводимость.
Использовали фотополимерный принтер, шероховатость его, кстати, гораздо лучше. Первый слой проводимости сформировали графитовой краской, а затем гальваникой нарастили серебро. С точки зрения СВЧ - нареканий не было, только металлизация очень плохо на полимере держалась. Оно и понятно - графит не лучший подслой.
Классика говорит о необходимости активации поверхности и желательности нанесения первого слоя напылением металла, далее - гальваника. И вот такой пирог вполне устойчив, если не гонять волновод в широких температурных диапазонах, когда пленка начнет слезать из-за температурных деформаций.
YDR
09.04.2022 18:55Вот тоже хотел предложить печать на пластмассовом 3Д-принтере, и покрытие серебром.
И еще вариант - штамповку не сделать? форма слишком сложная?
Gumrak
10.04.2022 10:12Если печатать электропроводящим полимером, то возможно графит и не понадобится?
MaksimGolubtsov
08.04.2022 18:05+5Поскольку тема для меня и нашей фирмы волнующая, напишу общий комментарий.
С точки зрения физики эксперимента, сравнения не совсем допустимы. Для полного результата лучше было бы сопоставить потери в фрезерованном фильтре, аналогичном напечатанному. Поскольку такого нет, то надо бы было оценить вклад в потери дополнительных узлов и сказать о них, безусловно, во фрезерованном в данном диапазоне потери были бы существенно ниже. Сравнивать с фильтром в печатном исполнении весьма некорректно, т.к. потери в диэлектрике в Ка-диапазоне существенны, и к таким конструкциям прибегают только там где можно пренебречь потерями и для удобства исполнения.
Из нашей практики шероховатость на фрезерованных деталях Ra 2.5-6 обеспечивает отличные характеристики в диапазонах вплоть до 65-90 ГГц. В диапазонах спутниковой связи , до 15 ГГц вполне будет работать и Rz10 и более, хотя, конечно, все стремятся к лучшим показателям. В частности, даже покрытие серебром "с ванны" имеет не лучшие показатели шероховатости и галтовка покрытия способна уменьшить потери на вполне ощутимые 0.2...0.6 дБ в фильтрах.
При этом отмечу, что всячески приветствую направление 3Д-печати в СВЧ, поскольку это мощно расширяет диапазон решений и конструкций, упрощает макетирование, развязывает руки, в общем) Но из нашего опыта, с реальной шероховатостью печати порядка 0.01(в лучшем случае) - 0.03 (более-менее реально) мм рабочие образцы устройств имеет смысл делать в диапазонах до 5...7 ГГц и с оговорками и специальными мерами - до 15...18 ГГц.
В более высоких частотах - весьма пригодно для экспериментов, как показал автор статьи (респект ему и организации), но в промышленные образцы такое пока не годится.
За сим надеемся на новые успехи и интересные сообщения.YDR
09.04.2022 18:57+1Можно взять фрезерованный, снять характеристику, потом пропесочить внутренность, затем снова измерить - и сравнить.
Kekushiftkey
08.04.2022 18:06есть такая штука как КИМ - коэффициент использования материала, SLM в этом плане сразу бьет по двум вещам - расходует минимум материала, делает такие цельные полые детали, которые невозможно изготовить традиционными методами, в т.ч. литьем. и третье - структура сплава, т.к. не всякая структура (к примеру, литая) может подходить для ответственных деталей.
я не вижу ничего преступного и сложного в этом волноводе. вы отпечатали деталь, которая заточена под изготовление штамповкой.
поэтому эта статья мне видится так: SLM дешевеет и дешевеет настолько, что вот взяли и отпечатали первым попавшимся материалом не потому, что у него хорошие антикоррозионные свойства, не потому, что ему присущи какие-то жаропрочные свойства, а потому, что, блин, мы не захотели алюминий и пластик.
rPman
08.04.2022 18:55+1Не понимаю, кто вообще задизайнил именно такую форму? она совсем не подходит для печати (какраз те самые поддержки)
почему крепежные ушки перпендикулярные? что мешает крепить фильтр к корпусу/плате уголками?
убери ушки, изделие станет простым и для печати не будет требовать поддержек
p.s. что?требования к точности фрезеровки, высокий вес и размеры. Одна из альтернатив — напечатать фильтр металлом.
с каких это пор фрезеровка стала иметь ниже точность чем порошковая 3д печать?
мы же сравниваем один ценовой диапазон изделий?ymikhail Автор
09.04.2022 23:09Разве здесь упоминалось что альтернатива лучше по точности?
Объяснить это можно превосходящей точностью фрезеровки по сравнению с выбранной технологией 3D печати.
В целом конструкция разрабатывалась для теста электрических параметров при использовании данной технологии. Для тестов к стандартным ушам подключаться легче.
wilczek
08.04.2022 19:41Имел возможность пощупать "фирменный" полосовой фильтр на этот диапазон, изготовленный методом 3D печати. Правда, из пластика с последующей металлизацией. Относительная полоса 2%, потери - меньше 0.5 дБ
asrtonom4ek
11.04.2022 09:05Возможно станок с "Электроэрозионной обработкой" (EDM) (тонкая проволка под электричеством "растворяет" металл) позволит добиться высокой точности поверхности при этом сохранив возможность делать произвольные формы
sergeyns
Действительно удивляет ,что "шероховатости" вроде как не влияют на работу. Хотя было бы интересно померить, насколько они действительно "не влияют". Уж добротность резонаторов-полостей точно должна просесть.