基于多物理场仿真的可调谐滤波器高保真建模

Jiyoun Munn 2019年 6月 16日

由于高速通信是无线系统发展的必然趋势,因此,对更高的数据速率、更高的频率、更大的频谱和更宽的频宽的需求都增加了。当处理宽带时,可能需要在无线通信系统中部署多个设备,以滤除多余的噪声和干扰信号,提高信噪比,并提高灵敏度。而单个可调谐滤波器便可替代这些设备,从而减少系统的空间大小和重量,并降低多个组件的制造成本。

基于压电片的可调谐振腔滤波器的建模

可调谐器件可以用变容器、移相器或开关实现,通过这些器件可以调节信号的电抗、相位或路径,并且可以改变器件的频率响应。我们设计了一种可调带通滤波器模型,该模型采用压电片来控制器件的电抗,使滤波器的谐振频率发生变化。

滤波器的设计基于一种矩形谐振腔滤波器,其谐振频率由下式给出:

f_
{nml}
=\frac
{c}
{2\pi\sqrt{\epsilon_r\mu_r}}\sqrt{(\frac
{m\pi} {a}
)^2+(\frac
{n\pi} {b}
)^2+(\frac
{l\pi} {d}
)^2}

其中ab表示波导孔径尺寸,d表示波导腔长度。

谐振腔的宽度、高度和长度分别为a=100mm、b=50mm以及d=50mm,产生的TE101主模谐振频率为3.354GHz。

在谐振腔内部,放置一个金属柱,金属柱的顶面和谐振腔顶部形成一个间隙,由此柱子的高度便略小于b。当谐振腔在主模下产生谐振,能量则会被限制在谐振腔中部,而金属顶部间隙柱的响应则变为容性响应。间隙形成的额外电容可在相同结构尺寸下降低谐振频率,从而有效地减小了器件尺寸。

采用集总端口模拟的50-Ω短接微带线通过谐振腔顶部的缝隙耦合到谐振腔中。通过调整缝隙的尺寸和位置,可以改善输入匹配(S11)和插入损耗(S21)。谐振腔谐振腔顶部的圆孔放置圆形压电片,圆形压电片的底表面涂覆一层导电性能非常好的薄层材料,该材料由于导电性能非常好因此具有非常小的趋肤深度。

An image of a cavity filter with a piezoelectric actuator and an image showing the gap size between a piezoelectric actuator and a metallic post.
左图:带有圆盘状压电片的谐振腔滤波器。采用缝隙耦合微带线构成馈电方案。右图:压电片和金属柱之间的间隙大小控制谐振频率。

滤波器的所有金属部件,如腔壁、柱、基底接地面、微带线和压电片底面,均设置为理想的电导体(PECs)。压电片采用的是锆钛酸铅(PZT-5H)。压电片是z方向极化的,所以其主要变形方向也是z方向。

当正直流偏置作用于压电片时,压电片将向谐振腔底部偏转。这种偏转使电容变强,并且使谐振频率比没有任何变形的情况下都更低。下面的动画描绘了谐振频率下的电场模。在谐振腔的中部,以及在柱顶部和压电片底部之间的缝隙中,可以观察到强大的电场。

基于多物理场仿真精确分析射频滤波器

这种类型器件的传统分析方法是利用金属支柱几何高度的参数扫描(而非使压电片抛物线式翘曲),进而观察滤波器的电容变化。但在实际工作中,金属支柱是固定的,并且压电片的实际变形在几何上呈不均匀性。为此,参数扫描不能精确模拟电容变化;因此,测定的谐振频率是不准确的。

为描述真实世界的现象,必须采用多物理场方法,并结合高频电磁场和压电结构分析,以此对压电片的弹性变形和由此产生的电容变化进行建模。在COMSOL Multiphysics® 软件中使用这种方法是无缝且直观的,因为它为您提供的是一个统一仿真平台。

A screenshot of the model tree for the piezoelectric actuator model in COMSOL Multiphysics®.
在统一仿真平台上进行多物理场仿真和移动网格设置,以此对压电片的变形进行建模。

压电片的变形是通过几个物理场接口的组合得以解决,这些接口包括固体力学(solid),静电学(es)和移动网格(ale)。当压电片因正负直流偏置而发生变形时,移动网格 接口用于将变形之后的网格作用于电磁波、频域 接口,该接口用于模拟微带线和谐振腔内部的电磁波传播和谐振。。

 

通过改变谐振频率,3GHz附近的电场是渐逝的。为了可视化,对压电片的变形进行了放大处理。动画中还显示了电场模的(曲)表面图和电场的箭头图。

当压电片的电势为+300V时,可观察到变形值为~90 μm,这使得缝隙变小,缝隙中的电容增大。因此,谐振频率的漂移低于在零偏压和负偏压下的漂移。

A plot of the S-parameters for the tunable filter model.
可调谐振腔滤波器的S参数。该模式采用直流偏置±300 V。

S参数曲线显示了压电片的偏转对滤波器谐振频率的影响。本例的可调谐频率范围约为40兆赫。这个范围可以通过选择不同的压电盘大小和输入偏置电压来调节。

关于仿真真实世界设备的总结思考

RF模块是COMSOL Multiphysics 的一款附加产品,它可以助您设计、构建并优化射频、微波、毫米波和无源THz设备。您可以对传统设备进行建模,并扩展模型,以此涵盖其他在实验室中不易测得的物理现象,例如对材料性能的热效应以及结构变形。可通过使用相同的仿真环境和工作流程,进而有效地仿真您想要涵盖的所有物理场。

下一步

若要尝试这篇博客文章中提及的教程模型,请点击下面的按钮。点击此按钮将带您进入应用程序库,您可以在那里登录到自己的COMSOL Access访问帐户,然后就可以下载MPH-file文件。

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