通過多物理場建模設計用于 5G 器件的腔體濾波器

2021年 4月 13日

2020 年中至年末,備受期待的 5G 智能手機開始向公眾推出。射頻濾波器是支持這些設備的新型 5G 基礎設施的一個關鍵器件。用于防止信號干擾的濾波器可能會受到明顯的溫度變化的影響,從而導致結構變形,尤其在極端環境條件下。為 5G 器件設計射頻濾波器的工程師必須能夠分析溫度變化和熱應力如何影響其性能。這就是多物理仿真發揮作用的地方。

什么是射頻腔?

有許多射頻和微波應用都具有射頻腔,包括雷達、微波爐和稍后我們將討論的手機基站。它也存在于粒子加速器中,例如歐洲核子研究中心(European Organization for Nuclear Research,CERN)的大型強子對撞機(Large Hadron Collider,LHC),包括 16 個射頻腔。當粒子被注入空腔時,粒子加速器使用射頻信號給它們施加一個電脈沖來加速帶電粒子。

A photograph of a copper-colored RF cavity from a particle accelerator at CERN.
A photograph of a woman standing in front of a structure at CERN.

左圖是歐洲核子研究中心粒子加速器中的射頻腔。圖片由 MarsPF2 提供。通過 Wikimedia Commons,在CC BY-SA 3.0下獲得授權。右圖是 于2018 年訪問歐洲核子研究中心的本篇博客的作者。

用于 5G 器件的腔體濾波器

智能手機和其他 5G 器件需要能夠傳輸和接收來自各種來源的信號。它們需要能夠同時工作在多個頻帶的天線,是一個多入多出(MIMO)系統。濾波器用于從特定頻段選擇所需信號,并過濾可能干擾器件性能的不需要的頻率。5G 網絡基礎設施的工作頻段比以往任何時候都更新、更高,從幾兆赫茲到幾十兆赫茲不等,這進一步增加了對優化濾波器設備的需求。

An aerial photograph of a 5G communications tower surrounded by open, green fields.
德國哈特施泰特(Hattstedt)附近的一座 5G 塔。圖片由 Fabian Horst 提供。通過Wikimedia CommonsCC BY-SA 4.0下獲得許可。

由于 5G 是一個全球范圍的網絡協議,5G 結構和器件需要在具有極端環境條件(如溫度突然變化)的地區安裝。溫度的變化會導致射頻濾波器的膨脹和結構變形,從而影響其性能,例如 S 參數。

熱分析和應力變形是濾波器設計的重要考慮因素,但這類器件的傳統電磁驅動設計方法往往忽略了這些因素。實驗室進行的實驗也容易忽略這些影響。那么,工程師該怎么做才能考慮這些因素呢?

COMSOL Multiphysics?中腔體濾波器的射頻、熱和應力分析

腔體濾波器的熱結構效應教程模型中,我們演示了如何使用多物理仿真來分析腔體濾波器設計的諧振頻率。

腔體濾波器通常由電介質和金屬材料制成。金屬的電導率隨溫度而變化,這會影響器件中的損耗和散熱效果。熱損耗會導致溫度升高,而溫度的變化會導致材料膨脹或收縮。因此,當腔體濾波器處于高功率負載或極端熱環境時,可能會發生漂移,這使得設計這種濾波器具有挑戰性。


腔體濾波器模型幾何結構。

本文討論的教程模型包括三個獨立的研究。首先,我們可以對級聯腔體濾波器進行頻域研究,該濾波器覆蓋 5G 通信的兩個常見波段:

  • 26.5~29.5GHz,日本、韓國和美國使用的 5G 頻段
  • 24.25~27.5GHz,歐盟和中國使用的 5G 頻段

接下來,我們可以分析具有規定的均勻溫度分布的過濾器裝置的熱變形,以及它對過濾器性能的影響。研究的這一部分調查了兩種不同情況下的過濾器:

  • 不同但均勻的環境溫度
  • 整個器件的不均勻的溫度變化(例如,當附近的組件過熱時)

教程的后半部分展示了如何計算模型中的非均勻溫度分布,而不是使用強加的、固定的均勻溫度差,來更準確地表示真實世界的場景。

建模假設

在進入本教程之前,讓我們先來回顧一下每種物理場的一些關鍵建模特性。

  • 電磁學
    • 使用阻抗 邊界條件(IBC)代替需要建模物體的傳導壁
    • 腔體內金屬涂層的電導率具有熱敏性
    • 使用終端類型為同軸電纜的集總端口作為源
  • 結構力學
    • 端口處使用的剛性邊界允許運動和旋轉,但不允許變形
    • 彈簧底座用作剛性板上的近似黏合劑
    • 使用移動網格定義空腔內空氣域的變形
  • 傳熱
    • 使用 熱通量 定義隨溫度源(非均勻熱源)的線性變化(沿 x 方向)

頻域研究

該模型的結果顯示了正常工作條件下兩個 5G 頻段的電場模和S參數,我們可以使用這些參數與包括熱應力和結構變形的模型進行比較。電場分布表明腔體內存在 TE101 模式。

Simulation results showing the electric field norm for 5G bands in Japan, Korea, and the U.S., visualized in a rainbow color table.
An S-parameter plot for the 5G bands in Japan, Korea, and the U.S.

日本、韓國和美國使用的 5G 頻段的電場模(左)和 S 參數圖(右)

A plot of the electric field norm for 5G bands in the E.U. and China, visualized in a rainbow color table in COMSOL Multiphysics.
A line graph plotting the S-parameters for the 5G bands in the E.U. and China.

歐盟和中國使用的 5G 頻段的電場模(左)和 S 參數圖(右)。

熱結構分析

熱結構耦合分析表明,濾波器底板上均勻和不均勻的熱源都會導致結構變形。

A plot of the thermal stress in a cavity filter when heated to 100 K above its initial temperature, visualized in a rainbow color table.
Simulation results showing the electric field norm for a cavity filter operating at the last frequency out of the passband.

左圖:高于初始溫度 100K 時,腔體濾波器中的熱應力。右圖:通帶外最后一個頻率的電場模(輸入信號沒有到達輸出端口)。這些數字是針對均勻熱源的。

結果表明,雖然諧振頻率受變形和熱應力的影響,但S參數沒有明顯失真,從而驗證了設計。

An S-parameter plot showing a slight shift in the cavity filter because of a deformed baseplate.
Simulation results showing the structural deformation in the housing of a cavity filter caused by thermal expansion and visualized in rainbow.

左圖:由于底板變形,S 參數略有變化。右圖:腔體過濾器鋁制外殼因熱膨脹而產生的結構變形。這些圖是針對不均勻熱源的。

The RF cavity filter model with the temperature plotted in a yellow–red color gradient.
溫度的表面圖。該圖顯示了鋁外殼和同軸連接器的哪些區域變熱。

腔體過濾裝置的全耦合分析(如下所示)還演示了 COMSOL Multiphysics 5.6 版本的部分透明后處理功能。

The fully coupled cavity filter model with a partially transparent housing.
通過對 5G 腔體濾波器的電磁、結構和熱效應進行耦合分析,我們可以確定熱結構現象對濾波器性能的影響。在這種情況下,我們得到的積極結果是,熱誘導結構變形不會明顯影響電氣性能。

后續步驟

自己嘗試: 點擊下面的按鈕,查看腔體濾波器教程模型的熱結構效應。

閱讀更多關于使用仿真開發 5G 器件的信息


評論 (0)

正在加載...
瀏覽 COMSOL 博客