一种具备优异带外抑制特性的增材制造滤波超表面

5G毫米波频段(以及未来的毫米波通信系统)对射频前端提出了两项几乎矛盾的要求:一方面,天线需要宽带 ------以覆盖更宽的可用频谱、提升信道容量;另一方面,系统需要强选择性------在拥挤的频谱环境中把带外干扰压下去,保证接收质量。

传统方案中,滤波器与天线是分立器件,级联使用。这带来插入损耗、占用体积和接口失配等一系列问题。因此,**滤波天线(filtenna)以及更进一步的滤波超表面(filtering metasurface, FM)**成为学术界和工业界的共同方向:让辐射结构本身具备频率选择性,把滤波和辐射两个功能在同一口径内协同实现。

与此同时,毫米波器件尺寸小、结构复杂,传统机加工与 PCB 工艺在多层三维结构上逐渐遇到瓶颈。**增材制造(3D 打印)**凭借逐层成形的能力,可以在一次成形中实现包含悬浮结构、螺旋结构在内的复杂电磁构型,成为毫米波无源器件的重要制备路线。

IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques期刊中发表的Additively Manufactured Filtering Metasurface With Excellent Out-of-Band Suppression 论文中,研究团队所开展的工作正是这两条技术线索的交汇点。他们开发了 一种增材制造的、兼具滤波与圆极化功能的宽带透射超表面。

DOI: 10.1109/TMTT.2025.3629837

...

论文提出的器件是一款工作在30 GHz(5G 毫米波频段)的圆极化(CP)宽带滤波透射超表面(TM)。其整体由三部分构成:

  1. 顶层:滤波超表面(FM)------承担频率选择与辐射功能;

  2. 底层:极化转换超表面(PCM)------承担极化转换功能;

  3. 馈源:平面滤波馈源(planar filtering feed)。

这一"双层超表面 + 平面馈源"的三明治式架构,把"滤波"与"圆极化"两个功能在垂直维度上分工:顶层 FM 决定哪些频率能够通过并辐射,底层 PCM 将透射波转换为圆极化波。

创新点

该增材制造双层超表面由上层滤波超表面(FM)与下层极化转换超表面(PCM)构成。上层滤波超表面采用贴片‑螺旋条带的 FA‑A 架构,借助磁电偶极子天线实现高通滤波特性;通过一对差分馈电 L 型探针、一对悬空 π 形金属条,分别在低频、高频处产生传输零点。设计利用差分馈电倒 C 形(DFIC)单元固有的高通滤波特性,实现差分反相对消效果

性能

  • 该超表面3‑dB增益带宽为 31%,轴比带宽为48%,滤波选择度约1.35

  • 下阻带抑制度为‑46.3 dB,上阻带抑制度为‑44.4 dB

  • 口径效率为31%。

应用方向与意义

该器件面向无线5G及未来毫米波通信系统。

其意义在于,在毫米波频段,将滤波与圆极化功能前置到口径层完成,有助于简化射频前端链路、压缩带外干扰,对密集频谱环境下的毫米波通信具有参考价值。

同时,该工作也是增材制造技术在微波/毫米波无源器件领域的一个示范案例。增材制造在此并非单纯的替代工艺,而是支撑了悬浮结构等关键电磁设计特征得以物理实现的工艺基础。

来源:IEEE 微波理论与技术协会

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