使用多物理学建模为5G设备设计空腔过滤器

2021年4月13日

在2020年中期至下半年,预期的5G智能手机开始向公众推出。支持这些设备的新5G基础架构的关键方面之一是RF过滤器。这些用于停止信号干扰的过滤器可能会受到明显的温度变化,从而导致结构变形,尤其是在极端环境条件下。为5G设备设计RF过滤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。这是多物理模拟发挥作用的地方。

什么是RF腔?

有许多RF和微波应用具有RF腔,包括雷达,微波炉,以及(正如我们将稍后讨论)手机站。它们也在粒子加速器中发现,例如大型强子对撞机(LHC)在欧洲核研究组织(CERN),其中包括16个RF腔。颗粒加速器使用RF腔来加速带电的颗粒,通过将电脉冲注入腔内。

来自CERN粒子加速器的铜色RF腔的照片。
一张女人站在欧洲核子局结构前的照片。

在左侧,来自CERN的粒子加速器的RF腔。MARSPF2的图像 - 自己的作品。获得许可CC BY-SA 3.0, 通过Wikimedia Commons。在右边,博客作者在2018年访问CERN时。

5G设备的腔过滤器

智能手机和其他5G设备需要能够从各种来源传输和接收信号。他们需要多个频带,这些频段可以通过单个天线(一个多输入,多输出(MIMO)系统)同时运行。过滤器用于从特定的频带中选择所需的信号,并拒绝不需要的频率组件,从而干扰性能。5G网络基础架构比以往任何时候都在新的和更高的频带中运行,范围从几个GHz到数十GHz,进一步加剧了对优化滤波器设备的需求。

一张5G通信塔的航拍照片,周围环绕着开放的绿色田地。
德国Hattstedt附近的5G塔。Fabian Horst的图像 - 自己的作品。获得许可CC BY-SA 4.0, 通过Wikimedia Commons

由于5G是一个全球网络,因此在经历极端环境条件的地区存在5G结构和设备,例如温度突然变化。温度的变化会导致RF过滤器的膨胀和结构变形,例如在其S参数方面影响其性能。

热分析和应力变形是滤波器设计的重要考虑因素,但是它们通常不受此类设备的传统电磁驱动设计方法的排除。实验室实验也倾向于忽略这些影响。工程师要做什么?

comsolMultiphysics®中空腔滤波器的RF,热和应力分析

在里面热体效果对腔滤波器教程模型,我们演示了如何使用多物理模拟来分析腔滤波器设计的谐振频率。

腔过滤器通常是由介电和金属材料制成的。金属的电导率随温度而变化,这会影响装置中的损耗并散发热量。热量的耗散导致温度升高,温度变化会导致材料扩展或收缩。因此,当腔过滤器承受高功率负载或极端的热环境时,可能会发生漂移,这使设计此类滤镜具有挑战性。


型号的几何形状。

此处讨论的教程模型包括三个单独的研究。首先,您可以对级联的腔滤器进行频域研究,该研究涵盖了两个用于5G通信的通用波带:

  • 26.5–29.5 GHz,用于日本,韩国和美国的5G乐队
  • 24.25–27.5 GHz,用于欧盟和中国的5G乐队

接下来,您可以通过规定的均匀温度分布及其对滤波器性能的影响分析过滤器设备的热变形。研究的这一部分在两种不同的情况下调查了过滤器:

  • 不同(但均匀)的环境温度
  • 整个设备上的温度变化(非均匀)(例如,当附近的组件过热时)

教程的后半部分显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均匀温度偏差,以更准确地表示现实世界中的情况。

建模假设

在进入教程之前,让我们介绍每个物理学中的一些关键建模功能。

  • 电磁学
    • 阻抗边界条件(IBC)而不是建模导电墙作为体积
    • 腔内金属涂层的温度依赖电导率
    • 同轴类型的端口带有端子类型,因为电缆被用作源
  • 结构力学
    • 端口上使用的刚性边界允许运动和旋转,但不适合变形
    • 弹簧基础用作近似粘合粘合到刚性板的粘合剂
    • 移动网格用于定义腔内空气域的变形
  • 传播热量
    • 热通量边界条件用于给出线性变化(沿着X方向)温度源(对于不均匀的热源)

频域研究

该模型的结果显示了在正常工作条件下的两个5G频带的电场标准和S参数,然后您可以将其与包括热应力和结构变形的模型进行比较。场模式表示腔体内TE101模式的存在。

模拟结果显示了日本,韩国和美国5G频段的电场标准,在彩虹颜色表中可视化。
日本,韩国和美国5G乐队的S参数图

日本,韩国和美国5G乐队的电场标准(左)和S参数图(右)(右)

欧盟5G频段的电场标准图和中国,在comsol多物理学的彩虹色表中可视化。
一条线图绘制了E.U.中5G频段的S参数。和中国。

电场标准(左)和S-参数图(右)的5G频段(右)和中国。

热体结构分析

耦合的热结构分析表明,过滤器底板上的均匀和不均匀热源都会导致结构变形。

当在彩虹颜色表中可视化到其初始温度以上的100 K高于初始温度的100 K时,腔滤器中的热应力图。
仿真结果显示了在通带的最后频率下运行的腔滤波器的电场标准。

左:在初始温度以上100 k的腔滤波器中的热应力。右:通带的最后频率处的电场标准(输入信号未到达输出端口)。这些数字用于均匀的热源。

结果表明,尽管谐振频率受到变形和热应力的影响,但S-参数并未显着扭曲,从而验证了设计。

由于底板变形,S-参数图显示出腔滤波器的略有变化。
模拟结果显示,由热膨胀引起的腔滤器的壳体壳体变形,并在彩虹中可视化。

左:由于底板变形而导致的S参数略有变化。右:由于热膨胀,腔滤器的铝制外壳中的结构变形。这些数字用于不均匀的热源。

RF腔滤波器模型,温度绘制为黄色颜色梯度。
温度的表面图。该图显示了铝制外壳和同轴连接器的哪个区域变得更热。

下面显示的腔滤器设备的完全耦合分析也证明了部分透明度后处理功能可用ldsports乐动体育

具有部分透明外壳的完全耦合的腔滤波器模型。

通过对5G腔滤波器中电磁,结构和热效应进行耦合分析,我们可以确定滤波器的性能如何受热结构现象的影响。在这种情况下,我们得到积极的结果,即热诱导的结构变形不会明显影响电性能。

下一步

自己尝试一下:通过单击下面的按钮来获取对腔滤波器教程模型的热体效果。

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