Опыт изготовления волноводного фильтра Ka-диапазона из АБС‑пластика
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.
Рисунок 1 — Волноводный фильтр 26–28,3 ГГц, основные элементы фильтра изготовлены из АБС-пластика и покрыты серебром
Фильтр имеет волноводные порты, совместимые со стандартным фланцем WR28 (размер волновода — 7,12×3,56 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.
Рисунок 2 — АЧХ фильтра, собранного из деталей из АБС-пластика, покрытых серебром
Рисунок 3 — Характеристики фильтра, собранного из деталей из АБС-пластика, покрытых серебром, в районе полосы пропускания (коричневая линия — коэффициент передачи соединения двух коаксиально-волноводных переходов, между которыми устанавливался фильтр для измерения)
Измерения проводились на анализаторе цепей N5244B ф. Keysait.
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.
Рисунок 4 — Внешний вид деталей волноводного фильтра, изготовленных из АБС-пластика и покрытых серебром
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.
Рисунок 5 — Детали фильтров:
сверху — деталь, фрезерованная из АБС-пластика и покрытая серебром;
по центру — деталь, фрезерованная из АБС-пластика без покрытия;
снизу — деталь, фрезерованная из алюминия и покрытая 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.
Рисунок 6 — Сравнение характеристик фильтров, изготовленных из АБС-пластика и алюминия:
синий — характеристики фильтра, изготовленного из АБС-пластика
красный — характеристики фильтра, изготовленного из алюминия
Рисунок 7 — Сравнение характеристик фильтров, изготовленных из различных материалов:
синий — волноводный фильтр, собранный из деталей, изготовленных из АБС-пластика;
красный — волноводный фильтр, собранный из деталей, изготовленных из алюминия;
коричневый — коэффициент передачи соединения двух коаксиально-волноводных переходов, между которыми устанавливался фильтр для измерения.
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
— https://habr.com/ru/company/stc_spb/blog/659691/
