2020年代中期，启用了5G的智能手机的热烈预期，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滤波器。这些滤波器用于停止信号干扰，可以受到显着的温度变化，导致结构变形，特别是在极端的环境条件下。设计5G设备RF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。这就是多发性模拟发挥作用的地方。
什么是射频？
有许多RF和微波应用，具有RF腔，包括雷达，微波炉和（如我们我们稍后讨论的）手机站。它们也被发现在粒子促进剂中，例如大型特罗龙撞机（LHC）在欧洲核研究组织（CERN），其中包括16个射频。粒子促进剂使用RF腔通过在注入腔时给予电气脉冲来加速带电粒子。
在左侧，来自核心的粒子加速器的RF腔。图片由Marspf2 - 自己的工作。许可cc by-sa 3.0， 通过Wikimedia Commons.。在正确的是，博客作者在2018年访问CERN。
5G器件的腔滤波器
智能手机和其他5G设备需要能够从各种源从各种源传输和接收信号。它们需要多个频带，可以通过单个天线同时操作，多输入，多输出（MIMO）系统。过滤器用于从特定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分量。5G网络基础设施在较新的和更高频段上运行，比以往更高的频段，从几GHz到几十GHz，进一步加剧了对优化过滤装置的需求。
在Hattstedt，德国附近的一个5g塔。图片由Fabian Horst - 自己的工作。许可cc by-sa 4.0， 通过Wikimedia Commons.。
由于5G是全球网络，因此在体验极端环境条件的区域存在5G结构和设备，如温度突然变化。温度的变化会导致RF滤波器的膨胀和结构变形，从而影响它们的性能，例如，在其S参数方面。
热分析和应力变形是过滤器设计的重要考虑因素，但它们通常被遗漏出这种类型的设备的传统电磁驱动设计方法。实验室实验也倾向于忽视这些影响。什么是工程师？
COMSOLMULTIPHYSICS®中腔滤波器的RF，热力和应力分析188金宝搏优惠
在里面热固性效应腔滤波器教程模型，我们展示了多体验模拟如何用于分析腔滤波器设计的谐振频率。
腔滤波器通常由介电和金属材料制成。金属的电导率随温度而变化，这影响了装置中的损失并消散热量。热量耗散导致温度升高，温度变化会导致材料扩大或收缩。因此，当腔滤波器经历高功率负载或极端的热环境时，可能发生漂移，这使得设计这种过滤器的挑战。
腔滤波器的模型几何形状。
这里讨论的教程模型包括三项单独的研究。首先，您可以执行级联腔滤波器的频域研究，该频域研究涵盖了用于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分析过滤装置的热变形，以及其对滤波器性能的影响。这部分研究中的部分调查了两个不同场景中的过滤器：
- 不同（但均匀）环境温度
- 装置上的温度变化（非均匀）（例如，当附近的组件过热时）
本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，而不是使用施加的固定均匀的温度偏差，以便更准确地表示现实世界场景。
建模假设
在进入教程之前，让我们来浏览每个物理中的一些关键建模功能。
- 电磁学
- 阻抗使用边界条件（IBC）代替将导电墙建模为卷
- 腔内内金属涂层的温度依赖性电导率
- 具有终端类型作为电缆的同轴型集总端口用作源
- 结构力学
- 端口上使用的刚性边界以允许运动和旋转，但不会变形
- 弹簧基础用作刚性板的近似粘合剂粘合
- 移动网格用于定义空腔内的空气域的变形
- 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（对于非均匀热源）
频域研究
该模型的结果显示了正常操作条件下的两个5G频段的电场规范和S参数，然后您可以使用它来与包括热应力和结构变形的型号进行比较。字段图案表示腔内的TE101模式的存在。
电场规范（左）和日本，韩国和美国5克乐队的S-PARECTIAL PLOT（右）
E.U中的5G频段的电场规范（左）和S参数图（右）和中国。
热固性分析
耦合的热固性分析表明，过滤器的底板上的均匀和不均匀的热源都导致结构变形。
左：在初始温度高于100k的腔滤波器中的热应力。右：通带中最后一个频率的电场规范（输入信号未到达输出端口）。这些图为均匀的热源。
结果表明，尽管谐振频率受变形和热应力的影响，但是S参数不会显着扭曲，从而验证设计。
左：由于底板变形，S参数略微移位。右：由于热膨胀，腔室铝合金壳体中的结构变形。这些数字用于不均匀的热源。
表面图的温度。该图显示了铝壳和同轴连接器的哪个区域变热。
腔滤波器装置的完全耦合分析如下所示，也表明了部分透明度后处理功能可用188金宝搏优惠COMSOL Multiphysics版本5.6。
通过在5G腔滤波器中进行电磁，结构和热效应的耦合分析，我们可以确定滤波器的性能如何受热固性现象的影响。在这种情况下，我们得到了热诱导的结构变形不会显着影响电性能的阳性结果。
下一步
尝试自己：通过单击下面的按钮获得腔体过滤器教程模型的热固性效应。
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