通过多物理场建模设计用于 5G 器件的腔体滤波器

2021年 4月 13日

2020 年中至年末,备受期待的 5G 智能手机开始向公众推出。射频滤波器是支持这些设备的新型 5G 基础设施的一个关键器件。用于防止信号干扰的滤波器可能会受到明显的温度变化的影响,从而导致结构变形,尤其在极端环境条件下。为 5G 器件设计射频滤波器的工程师必须能够分析温度变化和热应力如何影响其性能。这就是多物理仿真发挥作用的地方。

什么是射频腔?

有许多射频和微波应用都具有射频腔,包括雷达、微波炉和稍后我们将讨论的手机基站。它也存在于粒子加速器中,例如欧洲核子研究中心(European Organization for Nuclear Research,CERN)的大型强子对撞机(Large Hadron Collider,LHC),包括 16 个射频腔。当粒子被注入空腔时,粒子加速器使用射频信号给它们施加一个电脉冲来加速带电粒子。

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.

左图是欧洲核子研究中心粒子加速器中的射频腔。图片由 MarsPF2 提供。通过 Wikimedia Commons,在CC BY-SA 3.0下获得授权。右图是 于2018 年访问欧洲核子研究中心的本篇博客的作者。

用于 5G 器件的腔体滤波器

智能手机和其他 5G 器件需要能够传输和接收来自各种来源的信号。它们需要能够同时工作在多个频带的天线,是一个多入多出(MIMO)系统。滤波器用于从特定频段选择所需信号,并过滤可能干扰器件性能的不需要的频率。5G 网络基础设施的工作频段比以往任何时候都更新、更高,从几兆赫兹到几十兆赫兹不等,这进一步增加了对优化滤波器设备的需求。

An aerial photograph of a 5G communications tower surrounded by open, green fields.
德国哈特施泰特(Hattstedt)附近的一座 5G 塔。图片由 Fabian Horst 提供。通过Wikimedia CommonsCC BY-SA 4.0下获得许可。

由于 5G 是一个全球范围的网络协议,5G 结构和器件需要在具有极端环境条件(如温度突然变化)的地区安装。温度的变化会导致射频滤波器的膨胀和结构变形,从而影响其性能,例如 S 参数。

热分析和应力变形是滤波器设计的重要考虑因素,但这类器件的传统电磁驱动设计方法往往忽略了这些因素。实验室进行的实验也容易忽略这些影响。那么,工程师该怎么做才能考虑这些因素呢?

COMSOL Multiphysics®中腔体滤波器的射频、热和应力分析

腔体滤波器的热结构效应教程模型中,我们演示了如何使用多物理仿真来分析腔体滤波器设计的谐振频率。

腔体滤波器通常由电介质和金属材料制成。金属的电导率随温度而变化,这会影响器件中的损耗和散热效果。热损耗会导致温度升高,而温度的变化会导致材料膨胀或收缩。因此,当腔体滤波器处于高功率负载或极端热环境时,可能会发生漂移,这使得设计这种滤波器具有挑战性。


腔体滤波器模型几何结构。

本文讨论的教程模型包括三个独立的研究。首先,我们可以对级联腔体滤波器进行频域研究,该滤波器覆盖 5G 通信的两个常见波段:

  • 26.5~29.5GHz,日本、韩国和美国使用的 5G 频段
  • 24.25~27.5GHz,欧盟和中国使用的 5G 频段

接下来,我们可以分析具有规定的均匀温度分布的过滤器装置的热变形,以及它对过滤器性能的影响。研究的这一部分调查了两种不同情况下的过滤器:

  • 不同但均匀的环境温度
  • 整个器件的不均匀的温度变化(例如,当附近的组件过热时)

教程的后半部分展示了如何计算模型中的非均匀温度分布,而不是使用强加的、固定的均匀温度差,来更准确地表示真实世界的场景。

建模假设

在进入本教程之前,让我们先来回顾一下每种物理场的一些关键建模特性。

  • 电磁学
    • 使用阻抗 边界条件(IBC)代替需要建模物体的传导壁
    • 腔体内金属涂层的电导率具有热敏性
    • 使用终端类型为同轴电缆的集总端口作为源
  • 结构力学
    • 端口处使用的刚性边界允许运动和旋转,但不允许变形
    • 弹簧底座用作刚性板上的近似黏合剂
    • 使用移动网格定义空腔内空气域的变形
  • 传热
    • 使用 热通量 定义随温度源(非均匀热源)的线性变化(沿 x 方向)

频域研究

该模型的结果显示了正常工作条件下两个 5G 频段的电场模和S参数,我们可以使用这些参数与包括热应力和结构变形的模型进行比较。电场分布表明腔体内存在 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、韩国和美国使用的 5G 频段的电场模(左)和 S 参数图(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.

欧盟和中国使用的 5G 频段的电场模(左)和 S 参数图(右)。

热结构分析

热结构耦合分析表明,滤波器底板上均匀和不均匀的热源都会导致结构变形。

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.

左图:高于初始温度 100K 时,腔体滤波器中的热应力。右图:通带外最后一个频率的电场模(输入信号没有到达输出端口)。这些数字是针对均匀热源的。

结果表明,虽然谐振频率受变形和热应力的影响,但S参数没有明显失真,从而验证了设计。

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.

左图:由于底板变形,S 参数略有变化。右图:腔体过滤器铝制外壳因热膨胀而产生的结构变形。这些图是针对不均匀热源的。

The RF cavity filter model with the temperature plotted in a yellow–red color gradient.
温度的表面图。该图显示了铝外壳和同轴连接器的哪些区域变热。

腔体过滤装置的全耦合分析(如下所示)还演示了 COMSOL Multiphysics 5.6 版本的部分透明后处理功能。

The fully coupled cavity filter model with a partially transparent housing.
通过对 5G 腔体滤波器的电磁、结构和热效应进行耦合分析,我们可以确定热结构现象对滤波器性能的影响。在这种情况下,我们得到的积极结果是,热诱导结构变形不会明显影响电气性能。

后续步骤

自己尝试: 点击下面的按钮,查看腔体滤波器教程模型的热结构效应。

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