基于多物理建模的5G设备空腔滤波器设计

2021年4月13日

在2020年中后期,备受期待的5g智能手机开始向公众推出。支持这些设备的新5G基础设施的一个关键方面是射频滤波器。这些用于阻止信号干扰的滤波器可能会受到显著温度变化的影响,从而导致结构变形,特别是在极端环境条件下。为5G设备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。这就是多物理模拟发挥作用的地方。

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(我们稍后将讨论)手机站。它们也存在于粒子加速器中,比如大型强子对撞机(LHC)在欧洲核研究组织(CERN),它有16个射频腔。粒子加速器利用射频腔来加速带电粒子,当它们被注入腔内时给它们一个电脉冲。

一张来自欧洲核子研究中心粒子加速器的铜色射频腔的照片。
一张照片,一个女人站在欧洲核子研究中心的一个建筑物前。

左边是欧洲核子研究中心粒子加速器的射频腔。图片由MarsPF2 -自己的工作。下许可3.0 CC冲锋队通过维基共享.右图,博客作者在2018年访问欧洲核子研究中心。

5G设备的空腔滤波器

智能手机和其他5G设备需要能够传输和接收来自各种来源的信号。它们需要可以通过一个天线同时工作的多个频带,即多输入多输出(MIMO)系统。滤波器用于从特定的频带中选择所需的信号,并拒绝可能干扰性能的不需要的频率成分。5G网络基础设施运行在比以往任何时候都更新和更高的频段,从几GHz到几十GHz,进一步加剧了对优化滤波器设备的需求。

这是一张5G通信塔被开阔的绿色田野包围的航拍照片。
德国哈特施泰特附近的5G基站。图片由Fabian Horst - Own的作品。下许可4.0 CC冲锋队通过维基共享

由于5G是一个全球性网络,5G结构和设备存在于经历极端环境条件的地区,比如温度突然变化。温度变化会引起射频滤波器的膨胀和结构变形,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它们。实验室实验也往往忽视这些影响。工程师该怎么做?

COMSOL Multiphysics®谐振腔滤波器的射频、热和应力分析

空腔滤波器的热结构效应教程模型,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。

空腔滤波器通常由电介质和金属材料制成。金属的导电性随温度而变化,这影响了设备的损耗和散热。热量的散失导致温度的升高,温度的变化会使材料膨胀或收缩。因此,当谐振腔滤波器在高功率负载或极端热环境下,可能会发生漂移,这给滤波器的设计带来了挑战。


空腔滤波器的模型几何。

这里讨论的教程模式包括三个独立的研究。首先,您可以对级联腔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:

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

接下来,可以分析在规定的均匀温度分布下的过滤装置的热变形情况,以及它对过滤性能的影响。本部分研究在两种不同的情况下调查过滤器:

  • 不同(但一致)的环境温度
  • 整个设备的温度变化(不均匀)(例如,当附近的组件过热时)

教程的后一部分展示了如何在模型中计算非均匀温度分布,而不是使用强加的、固定的均匀温度偏差,以更准确地表示真实场景。

模型的假设

在进入教程之前,让我们回顾一下每个物理中的一些关键建模特性。

  • 电磁学
    • 阻抗用边界条件(IBC)代替了导体壁的体积建模
    • 腔内金属涂层与温度相关的电导率
    • 采用同轴型集总端口,终端类型作为电缆作为源
  • 结构力学
    • 用于港口的刚性边界允许运动和旋转,但不允许变形
    • 弹簧基础用作粘接在刚性板上的近似粘合剂
    • 移动网格是用来定义空腔内空气域的变形
  • 传热
    • 热通量用于给出线性变化的边界条件(沿x温度源(用于非均匀热源)

频域研究

该模型的结果显示了正常工作条件下两个5G频段的电场范数和s参数,然后可以用来与包括热应力和结构变形的模型进行比较。场模式表明腔内存在TE101模式。

仿真结果显示了日本、韩国、美国的5G频段的电场标准,并以彩虹色表显示。
日本、韩国和美国的5G频段的s参数图

日本、韩国和美国的5G频段的电场规范(左)和s参数图(右)

欧盟和中国5G频段的电场规范图,显示在COMSOL Multiphysics的彩虹色表中。
图中绘制了欧盟和中国5G频段的s参数。

欧盟和中国5G频段的电场范数(左)和s参数图(右)。

Thermostructural分析

耦合热结构分析表明,均匀和不均匀的热源均会导致滤板的结构变形。

当加热到高于初始温度100 K时腔过滤器的热应力图,在彩虹色表中可见。
仿真结果显示了谐振腔滤波器在通带外最后一个频率处的电场范数。

左:腔式过滤器在高于初始温度100 K时的热应力。右:通带外最后一个频率的电场范数(输入信号未到达输出端口)。这些数字是针对均匀热源的。

结果表明,虽然共振频率受变形和热应力的影响,但s参数没有明显的畸变,验证了设计。

s参数图显示了腔滤波器由于基底变形而发生的轻微位移。
仿真结果显示了空腔滤波器壳体因热膨胀而产生的结构变形,并以彩虹的形式显现出来。

左:由于底板变形,s参数轻微偏移。右:腔式过滤器铝制外壳因热膨胀而发生结构变形。这些数据是针对不均匀热源的。

射频腔滤波器模型与温度绘制在一个黄红颜色梯度。
温度的表面图。图中显示了铝壳和同轴连接器的哪个区域变得更热。

空腔滤波装置的全耦合分析,如下图所示部分透明后处理功能可用的ldsports乐动体育

具有部分透明外壳的全耦合空腔滤波器模型。

通过对5G腔滤波器的电磁、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,我们得到了积极的结果,即热致结构变形并不明显地影响电性能。

下一个步骤

你可以自己尝试一下:点击下面的按钮来获得腔过滤器教程模型上的热结构效果。

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