如何仿真設(shè)計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)施的一個關(guān)鍵器件。用于防止信號干擾的濾波器可能會受到明顯的溫度變化的影響，從而導致結(jié)構(gòu)變形，尤其在極端環(huán)境條件下。為 5G 設(shè)備設(shè)計射頻濾波器的工程師必須能夠分析溫度變化和熱應力如何影響其性能。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用都具有射頻腔，包括雷達、微波爐和稍后我們將討論的手機基站。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）的大型強子對撞機（Large Hadron Collider，LHC），包括 16 個射頻腔。當粒子被注入空腔時，粒子加速器使用射頻信號給它們施加一個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。它們需要能夠同時工作在多個頻帶的天線，是一個多入多出（MIMO）系統(tǒng)。濾波器用于從特定頻段選擇所需信號，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候都更新、更高，從幾兆赫茲到幾十兆赫茲不等，這進一步增加了對優(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。溫度的變化會導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)。

熱分析和應力變形是濾波器設(shè)計的重要考慮因素，但這類器件的傳統(tǒng)電磁驅(qū)動設(shè)計方法往往忽略了這些因素。實驗室進行的實驗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、熱和應力分析

在腔體濾波器的熱結(jié)構(gòu)效應教程模型中，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。金屬的電導率隨溫度而變化，這會影響器件中的損耗和散熱效果。熱損耗會導致溫度升高，而溫度的變化會導致材料膨脹或收縮。因此，當腔體濾波器處于高功率負載或極端熱環(huán)境時，可能會發(fā)生漂移，這使得設(shè)計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獨立的研究。首先，我們可以對級聯(lián)腔體濾波器進行頻域研究，該濾波器覆蓋 5G 通信的兩個常見波段：

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

整個器件的不均勻的溫度變化（例如，當附近的組件過熱時）

教程的后半部分展示了如何計算模型中的非均勻溫度分布，而不是使用強加的、固定的均勻溫度差，來更準確地表示真實世界的場景。

建模假設(shè)

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

電磁學

使用阻抗 邊界條件（IBC）代替需要建模物體的傳導壁

腔體內(nèi)金屬涂層的電導率具有熱敏性

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

端口處使用的剛性邊界允許運動和旋轉(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 5G 頻段的電場模和S參數(shù)，我們可以使用這些參數(shù)與包括熱應力和結(jié)構(gòu)變形的模型進行比較。電場分布表明腔體內(nèi)存在 TE101 模式。

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

歐盟和中國使用的 5G 頻段的電場模（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導致結(jié)構(gòu)變形。

左圖：高于初始溫度 100K 時，腔體濾波器中的熱應力。右圖：通帶外最后一個頻率的電場模（輸入信號沒有到達輸出端口）。這些數(shù)字是針對均勻熱源的。

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

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