Волноводный фильтр 26-28,3 ГГц на воздушных резонаторах, изготовленный из АБС-пластика и покрытый серебром
Волноводные фильтры обычно изготавливают из металлов (например алюминия, латуни) и покрывают изнутри серебром или другим защитным и хорошо проводящим металлом. Относительно других материалов металл обладает большой плотностью, поэтому волноводные фильтры в сочетании с большим размером имеют ощутимый вес, не позволяющий их использовать в некоторых приложениях.
Чтобы снизить вес и, возможно, стоимость волноводных фильтров, их можно изготавливать из более легких материалов, таких, как рассматриваемый в статье АБС-пластик, и покрывать металлом. АБС-пластик, не самый легкий из доступных материалов, значительно легче и без того легкого алюминия, и на его примере можно двигаться дальше по пути снижения веса волноводных конструкций с сохранением преимуществ использования волноводов с воздушным заполнением. Переход в качестве основы от металлов к полимерным материалам и покрытие их проводящим слоем – это качественный процесс, который открывает возможности для оптимизации по весу и стоимости.
Как было описано в предыдущей статье1, волноводные фильтры с воздушным заполнением, в отличие от многих своих аналогов, имеют высокую добротность реализуемых в них резонаторов, что позволяет реализовать низкие вносимые потери и высокую крутизну амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) фильтра. Потери в диэлектрике, которые невозможно избежать в альтернативных вариантах, в рассматриваемых фильтрах отсутствуют вместе с диэлектриком.
На рисунке 1 показан разработанный волноводный фильтр Ka-диапазона с полосой пропускания 26-28,3 ГГц, детали фильтра изготовлены из АБС-пластика и покрыты серебром.
Фильтр имеет волноводные порты, совместимые со стандартным фланцем WR28 (размер волновода – 7,12x3,56 mm).
Параметры фильтра представлены таблице ниже.
Наименование параметра |
Значение |
Ед. измерения |
Полоса пропускания по уровню -1 дБ |
25,56 … 28,82 |
ГГц |
Полоса пропускания по уровню -3 дБ |
25,47...28,88 |
ГГц |
Минимальное затухание в полосе пропускания |
0,18 |
дБ |
Полоса заграждения более 60 дБ на частотах |
до 24,96 от 29,62 до 40,29 |
ГГц |
Прямоугольность фильтра по уровню -3/-30 дБ |
1,15 |
- |
Прямоугольность фильтра по уровню -3/-60 дБ |
1,37 |
- |
КСВН входа и выхода в полосе по уровню -1 дБ не более |
1,8 |
- |
На рисунках 2 и 3 показаны основные характеристики фильтра.
Измерения проводились на анализаторе цепей N5244B ф. Keysight.
Конструкция фильтра
В структуре фильтра присутствует 10 резонаторов, трансформаторы на входе и выходе. В рассматриваемой реализации также присутствуют вспомогательные 90-градусные повороты и волноводы для применения в разрабатываемом высокочастотном тракте.
Конструктивно фильтр собирается из двух половинок, геометрия фильтра при этом разделена по широкой стенке волновода. Две половинки фильтра на фотографии были соединены при помощи металлическими винтов, но, при желании, то же самое можно сделать пластиковыми винтами.
Детали фильтра до сборки показаны на рисунке 4.
Сравнение фильтров, изготовленных из алюминия и АБС-пластика
В ходе эксперимента для сравнения был изготовлен фильтр по типовой технологии из алюминия с последующим покрытием серебром. На рисунке 5 показаны детали фильтра из АБС-пластика, покрытого серебром, из АБС-пластика до покрытия серебром и из алюминия, покрытого серебром.
Как видно из рисунка 5, внешне пластиковый фильтр и алюминиевый фильтр после покрытия неотличимы, что неоднократно было проверено на любопытных в лаборатории.
На рисунках 6 и 7 представлено сравнение характеристик фильтра из АБС-пластика и характеристик фильтра, изготовленного из алюминия.
Из рисунков 6 и 7 видно, что электрические параметры фильтра, сделанного из АБС-пластика и покрытого серебром и фильтра, изготовленного из алюминия и покрытого серебром, практически одинаковы.
Как видно из рисунка 7, вносимые потери у фильтра из АБС-пластика получились меньше аналогичного из алюминия, но я не готов ручаться за идентичность качества изготовления и сборки фильтров из АБС-пластика и алюминия. Поэтому делать акцент на меньших вносимых потерях в фильтре из пластика на основе одного эксперимента не стоит.
Добавлю, что также в рамках эксперимента, аналогично описанному выше, были изготовлены волноводные фильтры в диапазоне от 36,7 до 40 ГГц из АБС-пластика и алюминия соответственно. У этих фильтров вносимые потери в полосе пропускания в пределах 0,5 дБ были одинаковы.
Вес фильтра из АБС-пластика без учета веса винтов, разумеется, меньше: 79 г (фильтр из пластика) против 191 г (фильтр из алюминия).
Вывод
Вносимые потери в полосе пропускания у фильтра, изготовленного из АБС-пластика, не хуже, чем у фильтра, изготовленного из алюминия.
Применение полимерных материалов в волноводных конструкциях расширяет возможности по уменьшению стоимости и веса элементов антенно-волноводного тракта.
Список литературы
Комментарии (24)
Jury_78
01.11.2022 22:25+5Интересно, как будут изменятся параметры от времени и температуры и мех. деформации?
ymikhail Автор
02.11.2022 08:38+1Пару суток поморозили до минус 30 дальше некоторое время на плюс 50…60. После возвращения к нормальной температуре параметры фильтра не изменились. В общем предварительно требования по стойкости к температурным перепадам выдерживает. Как новые данные появятся напишу.
Jury_78
02.11.2022 12:45+1После возвращения к нормальной температуре параметры фильтра не изменились.
Т.е. работать буден при норм. температуре?
progchip666
02.11.2022 17:59+1И мне тоже. Причём проблемы вызовут не столько сами температуры, сколько их частое и резкое изменение. С учётом областей применений подобных фильтров это более чем актуально.
TitovVN1974
01.11.2022 22:50+1С какими уровнями мощности сможет работать такой фильтр (какую мощность он сможет поглощать без разрушения в непрерывном режиме)?
Вероятно, не более 100 мВт?
KbRadar
01.11.2022 23:01+1Точно побольше. По графику можно грубо прикинуть что затухание среднее в полосе у него порядка 0.7 дБ, то есть около 15% мощности. Размером он чуть больше чем половинка ладони, следует ожидать что от ватта мощности которая осталась в нём он нагреется на пару градусов. Также следует ожидать что от пары десятков градусов ему ничего не будет, а серебро имеет достаточное сечение чтобы избежать локальных нагревов. Так что тут оценка - хорошие такие десятки ватт или даже первые сотни.
TitovVN1974
01.11.2022 23:38Если тонкий слой металла столько выдержит, то отлично)
(При проектировании ЛБВ с ленточными пучками и с ЗС из монолитной меди, уровень мощности в непрерывном режиме порядка 100 Вт, правда на больших частотах, 60-90-... 220 ГГц)
Electrovoicer
02.11.2022 20:19Я б сказал, пропускать в полосе пропускания, и отражать вне полосы.
TitovVN1974
02.11.2022 22:23Да, разумеется. Поглощение можно оценить по балансу S-параметров. Оно незначительное. Интересовала электропрочность конструкции. Но по любому ее разумно применять во входных каскадах усилителя )
Tavrid
01.11.2022 22:58+1Нигде не написано, но использована технология Фрезерование, а не 3D печать АБС пластиком.
После прочтения первой статьи и комментариев, так и не понял почему не используется комбинированная технология - 3D печать восковых (или из аналогов) выплавляемых форм и отливка в них чистого серебра, или если гнаться за дешевизной - тонкого слоя серебра на цветмет основе. В ювелирке эта технология позволяет достигать очень высоких результатов, в том числе по созданию сложных геометрических предметов. В данной инженерной задаче 3D печатать с высокой точностью нужно только внутренний объем, внешние габариты не участвующие в распространении радиоволн можно хоть в глиняный кувшин отливать.
blik13
01.11.2022 23:00+1В подписях фото есть про фрезерованный АБС
j_aleks
02.11.2022 03:01+1литье оправдано при массовом производстве, фрезеровка процесс долгий, для прототипов лучше использовать фотополимерный принтер, точность великолепная, материал более-менее термически устойчивый (в разумных для пластика пределов)
koresh_builder
01.11.2022 23:16+3Пластик - термоизолятор, плюс коэф. линейного расширения выше алюминия, а модуль упругости ниже. При поглощении мощности и неравномерном нагреве не будет уходить геометрия, а значит и характеристики фильтра? Извините, если глупость спросил, сам ВЧ валенок.
KstnRF
02.11.2022 06:08+1Всё правильно. Тоже хотелось бы услышать ответы на эти вопросы, интересны такие испытания.
Естественно, для своих назначений пойдёт, если не пускать большие мощности, не запускать в космос и т.д.Автору: фирма VNA подозреваю что "Keysight", подправьте.
albiorix
03.11.2022 14:54Там ведь не всегда такие мощности, которые приведут к нагреву. Есть и маломощные устройства, где применение даже такого пластика вполне имеет смысл.
alexhott
02.11.2022 15:58А почему не облегчить убрав все лишнее снаружи?
Я ведь правильно понимаю, что вся суть во внутреннем канале и его покрытии, а снаружи это может повторять канал с толщиной до 1мм чтобы не развалилось и крепежные элементы реализовать?ymikhail Автор
02.11.2022 21:34Да, верно, суть во внутреннем канале. При разработке алюминиевого фильтра основная задача была технологичность и компактность устройства в целом, без требований к весу. Реализация фильтра из пластика это поиск возможностей уменьшения веса как данного фильтра так и схожих устройств за счета выбора более легкого материала.
Снижения веса устройства за счет оптимизации конструкции фильтра, чтобы она при этом не развалилась от внешних напряжений, это отдельная задача.
ymikhail Автор
02.11.2022 21:54По термостабильности, температурным перепадам и прочим термо планирую ответить недели через 3, сейчас не в лаборатории. Как уже писал в комментариях выше, на данный момент устройство проверенно на стойкость к температурным изменениям, то есть после нескольких температурных циклов +/- и возврате к нормальной температуре параметры фильтра не изменились.
albiorix
03.11.2022 14:45Я на похожую тему диплом писал в 2014ом. А в 2017ом пробовали печатать пластиковые и титановые вентили и циркуляторы, тоже серебром покрывали. Ещё скрутку делали на 3мм диапазон, тоже хорошо себя показала.
KbRadar
Это вполне логично: при сохранении геометрии работает только тонкий слой серебра, остальное неважно алюминий или пластик. Хотелось бы увидеть ответы на более важные вопросы: Как рассчитывали фильтр? Как покрывали серебром, какой толщины покрытие получилось? С какой точностью необходимо выдерживать размеры для достижения такой АЧХ? Есть ли какие-то хитрости в соединении половинок между собой? Спасибо!
fk0
Разница между алюминием и пластиком с нанесённым алюминием таки есть. Она вызвана диэлектрической проницаемостью пластика. В первом приближени там цифра порядка 2 для относительной диэлектрической проницаемости. А это значит, что длина волны бегущей в слое между металлом и пластиком может сократиться в sqrt(2) = 1.4 раза.
В конструкциях антенн современных мобильных телефонов, например, GPS-антенн, в частности, широко используется керамика с очень высокими коэффициентами относительной диэлектрической проницаемости, что позволяет пропорционально уменьшить размер антенны (https://ru.wikipedia.org/wiki/Коэффициент_укорочения).
Но, это всё касается волны бегущей между диэлектриком и металлом. А в обсуждаемом резонаторе волна внутри полости, где воздух. Там укорочение действовать не будет. Но для волн распространяющихся снаружи резонатора, по его внешней поверхности -- будет. Поэтому пластиковый резонатор покрытый слоем алюминия не совсем эквиэвалентен изготовленному из цельного куска алюминия. В нормальной ситуации волна конечно не должна распространяться по внешней поверхности резонатора, но как оно на самом деле -- вопрос автору.