如何仿真設(shè)計(jì)5G設(shè)備的腔體濾波器

2020 年中至年末，備受期待的 5G 智能手機(jī)開始向公眾推出。射頻濾波器是支持這些設(shè)備的新型 5G 基礎(chǔ)設(shè)施的一個(gè)關(guān)鍵器件。用于防止信號(hào)干擾的濾波器可能會(huì)受到明顯的溫度變化的影響，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形，尤其在極端環(huán)境條件下。為 5G 設(shè)備設(shè)計(jì)射頻濾波器的工程師必須能夠分析溫度變化和熱應(yīng)力如何影響其性能。這就是多物理仿真發(fā)揮作用的地方。

什么是射頻腔？

有許多射頻和微波應(yīng)用都具有射頻腔，包括雷達(dá)、微波爐和稍后我們將討論的手機(jī)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(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（Large Hadron Collider，LHC），包括 16 個(gè)射頻腔。當(dāng)粒子被注入空腔時(shí)，粒子加速器使用射頻信號(hào)給它們施加一個(gè)電脈沖來加速帶電粒子。

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(quán)。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 設(shè)備的腔體濾波器

智能手機(jī)和其他 5G 設(shè)備需要能夠傳輸和接收來自各種來源的信號(hào)。它們需要能夠同時(shí)工作在多個(gè)頻帶的天線，是一個(gè)多入多出（MIMO）系統(tǒng)。濾波器用于從特定頻段選擇所需信號(hào)，并過濾可能干擾器件性能的不需要的頻率。5G 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的工作頻段比以往任何時(shí)候都更新、更高，從幾兆赫茲到幾十兆赫茲不等，這進(jìn)一步增加了對(duì)優(yōu)化濾波器設(shè)備的需求。

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 Commons在CC BY-SA 4.0下獲得許可。

由于 5G 是一個(gè)全球范圍的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，5G 結(jié)構(gòu)和設(shè)備需要在具有極端環(huán)境條件（如溫度突然變化）的地區(qū)安裝。溫度的變化會(huì)導(dǎo)致射頻濾波器的膨脹和結(jié)構(gòu)變形，從而影響其性能，例如 S 參數(shù)。

熱分析和應(yīng)力變形是濾波器設(shè)計(jì)的重要考慮因素，但這類器件的傳統(tǒng)電磁驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方法往往忽略了這些因素。實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)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(yīng)力分析

在腔體濾波器的熱結(jié)構(gòu)效應(yīng)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(shè)計(jì)的諧振頻率。

腔體濾波器通常由電介質(zhì)和金屬材料制成。金屬的電導(dǎo)率隨溫度而變化，這會(huì)影響器件中的損耗和散熱效果。熱損耗會(huì)導(dǎo)致溫度升高，而溫度的變化會(huì)導(dǎo)致材料膨脹或收縮。因此，當(dāng)腔體濾波器處于高功率負(fù)載或極端熱環(huán)境時(shí)，可能會(huì)發(fā)生漂移，這使得設(shè)計(jì)這種濾波器具有挑戰(zhàn)性。

腔體濾波器模型幾何結(jié)構(gòu)。

本文討論的教程模型包括三個(gè)獨(dú)立的研究。首先，我們可以對(duì)級(jí)聯(lián)腔體濾波器進(jìn)行頻域研究，該濾波器覆蓋 5G 通信的兩個(gè)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(guī)定的均勻溫度分布的過濾器裝置的熱變形，以及它對(duì)過濾器性能的影響。研究的這一部分調(diào)查了兩種不同情況下的過濾器：

不同但均勻的環(huán)境溫度

整個(gè)器件的不均勻的溫度變化（例如，當(dāng)附近的組件過熱時(shí)）

教程的后半部分展示了如何計(jì)算模型中的非均勻溫度分布，而不是使用強(qiáng)加的、固定的均勻溫度差，來更準(zhǔn)確地表示真實(shí)世界的場(chǎng)景。

建模假設(shè)

在進(jìn)入本教程之前，讓我們先來回顧一下每種物理場(chǎng)的一些關(guān)鍵建模特性。

電磁學(xué)

使用阻抗 邊界條件（IBC）代替需要建模物體的傳導(dǎo)壁

腔體內(nèi)金屬涂層的電導(dǎo)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(jié)構(gòu)力學(xué)

端口處使用的剛性邊界允許運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，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(dòng)網(wǎng)格定義空腔內(nèi)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(jié)果顯示了正常工作條件下兩個(gè) 5G 頻段的電場(chǎng)模和S參數(shù)，我們可以使用這些參數(shù)與包括熱應(yīng)力和結(jié)構(gòu)變形的模型進(jìn)行比較。電場(chǎng)分布表明腔體內(nèi)存在 TE101 模式。

日本、韓國和美國使用的 5G 頻段的電場(chǎng)模（左）和 S 參數(shù)圖（右）

歐盟和中國使用的 5G 頻段的電場(chǎng)模（左）和 S 參數(shù)圖（右）。

熱結(jié)構(gòu)分析

熱結(jié)構(gòu)耦合分析表明，濾波器底板上均勻和不均勻的熱源都會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形。

左圖：高于初始溫度 100K 時(shí)，腔體濾波器中的熱應(yīng)力。右圖：通帶外最后一個(gè)頻率的電場(chǎng)模（輸入信號(hào)沒有到達(dá)輸出端口）。這些數(shù)字是針對(duì)均勻熱源的。

結(jié)果表明，雖然諧振頻率受變形和熱應(yīng)力的影響，但S參數(shù)沒有明顯失真，從而驗(yàn)證了設(shè)計(jì)。

左圖：由于底板變形，S 參數(shù)略有變化。右圖：腔體過濾器鋁制外殼因熱膨脹而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形。這些圖是針對(duì)不均勻熱源的。

溫度的表面圖。該圖顯示了鋁外殼和同軸連接器的哪些區(qū)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。

通過對(duì) 5G 腔體濾波器的電磁、結(jié)構(gòu)和熱效應(yīng)進(jìn)行耦合分析，我們可以確定熱結(jié)構(gòu)現(xiàn)象對(duì)濾波器性能的影響。在這種情況下，我們得到的積極結(jié)果是，熱誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)變形不會(huì)明顯影響電氣性能。