Seit Mitte 2020 sind die mit Spannung erwarteten 5G-fähigen Smartphones für die breite Öffentlichkeit verfügbar. Einer der wichtigsten Aspekte der neuen 5G-Infrastruktur, die diese Geräte unterstützt, sind RF-Filter. Diese Filter, die zur Unterdrückung von Signalstörungen eingesetzt werden, können erheblichen Temperaturschwankungen ausgesetzt sein, die insbesondere unter extremen Umweltbedingungen zu strukturellen Verformungen führen können. Ingenieure, die RF-Filter für 5G-Geräte entwerfen, müssen in der Lage sein zu analysieren, wie sich Temperaturschwankungen und thermische Spannungen auf ihre Leistung auswirken. Hier kommt die multiphysikalische Simulation ins Spiel.
Was ist ein RF-Hohlraum?
Es gibt viele Hochfrequenz- und Mikrowellenanwendungen, bei denen Hohlraumresonatoren zum Einsatz kommen, wie z. B. Radar, Mikrowellenöfen und (wie wir später sehen werden) Mobilfunkstationen. Man findet sie auch in Teilchenbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider (LHC) der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN), der 16 RF-Kavitäten enthält. Teilchenbeschleuniger verwenden RF-Kavitäten, um geladene Teilchen zu beschleunigen, indem sie ihnen einen elektrischen Impuls geben, wenn sie in die Kavität injiziert werden.
Links: Ein RF-Hohlraum eines Teilchenbeschleunigers in CERN. Bild von MarsPF2 – Eigenes Werk. Lizensiert unter CC BY-SA 3.0, über Wikimedia Commons. Rechts: Der Blog-Autor bei einem Besuch bei CERN in 2018.
Hohlraumfilter für 5G-Geräte
Smartphones und andere 5G-Geräte müssen in der Lage sein, Signale aus einer Vielzahl von Quellen zu senden und zu empfangen. Sie benötigen mehrere Frequenzbänder, die gleichzeitig über eine einzige Antenne, ein MIMO-System (Multiple-Input, Multiple-Output), genutzt werden können. Filter werden eingesetzt, um die gewünschten Signale aus einem bestimmten Frequenzband auszuwählen und unerwünschte Frequenzkomponenten, die die Leistung beeinträchtigen könnten, zurückzuhalten. Die 5G-Netzinfrastruktur arbeitet in neueren und höheren Frequenzbändern als je zuvor, von einigen GHz bis zu mehreren Dutzend GHz, was den Bedarf an optimierten Filterausrüstungen noch weiter erhöht.
Ein 5G-Turm nahe Hattstedt, Deutschland. Bild von Fabian Horst – Eigenes Werk. Lizensiert unter CC BY-SA 4.0, über Wikimedia Commons.
Da es sich bei 5G um ein globales Netzwerk handelt, werden 5G-Strukturen und -Geräte in Bereichen mit extremen Umgebungsbedingungen, wie z. B. plötzlichen Temperaturschwankungen, installiert. Temperaturschwankungen können zur Ausdehnung und strukturellen Verformung von RF-Filtern führen, was sich auf deren Leistung, z. B. auf die S-Parameter, auswirkt.
Thermische Analyse und Spannungsverformung sind wichtige Aspekte bei der Entwicklung von Filtern, werden aber bei der konventionellen elektromagnetischen Entwicklung dieser Art von Bauelementen oft vernachlässigt. Auch in Laborexperimenten werden diese Effekte oft vernachlässigt. Was kann ein Ingenieur tun?
RF-, thermische und Spannungsanalyse eines Hohlraumfilters in COMSOL Multiphysics®
Im Tutorial-Modell Thermostructural Effects on a Cavity Filter zeigen wir, wie die Multiphysik-Simulation zur Analyse der Resonanzfrequenzen eines Hohlraumfilter-Designs eingesetzt werden kann.
Hohlraumfilter werden üblicherweise sowohl aus dielektrischen als auch aus metallischen Materialien hergestellt. Die Leitfähigkeit von Metallen ändert sich mit der Temperatur, was sich auf die Verluste im Bauelement auswirkt und zu Wärmeableitung führt. Die Wärmeableitung führt zu einem Temperaturanstieg, und Temperaturschwankungen führen dazu, dass sich Materialien ausdehnen oder zusammenziehen. Wenn also ein Hohlraumfilter einer hohen Leistungsbelastung oder einer extremen thermischen Umgebung ausgesetzt ist, kann es zu einer Drift kommen, was die Entwicklung solcher Filter zu einer Herausforderung macht.
Modellgeometrie für den Hohlraumfilter.
Das hier vorgestellte Tutorial-Modell besteht aus drei separaten Studien. Zuerst können Sie eine Studie im Frequenzbereich eines kaskadierten Hohlraumfilters durchführen, das zwei für die 5G-Kommunikation übliche Wellenbänder abdeckt:
- 26.5–29.5 GHz, für 5G-Bänder in Japan, Korea und den USA
- 24.25–27.5 GHz, für 5G-Bänder in der Europäischen Union und China
Der nächste Schritt besteht darin, die thermische Verformung des Filters bei einer vorgegebenen gleichmäßigen Temperaturverteilung und deren Auswirkung auf die Filterleistung zu analysieren. In diesem Teil der Studie wird der Filter in zwei verschiedenen Szenarien untersucht:
- Verschiedene (aber gleichmäßige) Umgebungstemperaturen
- Eine (ungleichmäßige) Temperaturschwankung über das Gerät (wenn zum Beispiel eine nahegelegene Komponente überhitzt)
Der letzte Teil des Tutorials zeigt, wie eine ungleichmäßige Temperaturverteilung im Modell berechnet werden kann, anstatt eine vorgegebene gleichmäßige Temperaturverteilung zu verwenden, um eine genauere Darstellung des realen Szenarios zu erhalten.
Annahmen für die Modellierung
Bevor wir uns dem Tutorial zuwenden, sollten wir uns einige der wichtigsten Modellierungsfunktionen in den verschiedenen Bereichen der Physik ansehen.
- Elektromagnetik
- Verwendung einer Impedance Randbedingung anstatt die leitenden Wände als Volumen zu modellieren
- Temperatur-abhängige Leitfähigkeit der Metallbeschichtung in dem Hohlraum
- Ein koaxialer Lumped Port mit dem Anschlusstyp als Kabel wird als Quelle verwendet
- Strukturmechanik
- Ein starrer Rand, der an den Ports verwendet wird, um Bewegung und Drehung, aber keine Verformung zu ermöglichen
- Ein Federfundament, das als ungefähre Klebeverbindung mit einer starren Platte verwendet wird
- Ein Moving Mesh wird verwendet, um die Verformung des Luftgebiets innerhalb des Hohlraums zu definieren
- Wärmetransport
- Verwendung einer Heat Flux Randbedingung um eine linear variierende (entlang der x-Richtung) Temperaturquelle (für die ungleichmäßige Wärmequelle) zu erhalten
Eine Studie im Frequenzbereich
Die Ergebnisse des Modells zeigen die Norm des elektrischen Feldes und die S-Parameter für die beiden 5G-Frequenzbänder unter normalen Betriebsbedingungen, die dann zum Vergleich mit Modellen verwendet werden können, die thermische Spannungen und strukturelle Verformungen berücksichtigen. Das Feldmuster zeigt das Vorhandensein der TE101-Mode innerhalb des Hohlraums.
Norm des elektrischen Feldes (links) und S-Parameter-Plot (rechts) für die 5G-Bänder in Japan, Korea und den USA.
Norm des elektrischen Feldes (links) und S-Parameter-Plot (rechts) für die 5G-Bänder in der EU und China.
Thermostrukturelle Analyse
Die gekoppelte thermostrukturelle Analyse zeigt, dass sowohl die gleichmäßige als auch die ungleichmäßige Wärmequelle auf der Bodenplatte des Filters zu strukturellen Verformungen führen.
Links: Thermische Spannungen im Hohlraumfilter bei 100 K über der Anfangstemperatur. Rechts: Norm des elektrischen Feldes bei der letzten Frequenz außerhalb des Durchlassbereichs (das Eingangssignal erreicht den Ausgang nicht). Diese Abbildungen beziehen sich auf die homogene Wärmequelle.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Resonanzfrequenzen zwar durch Verformung und thermische Belastung beeinflusst werden, die S-Parameter jedoch nicht signifikant verfälscht werden, was das Design bestätigt.
Links: Leichte Verschiebung der S-Parameter durch Verformung der Bodenplatte. Rechts: Strukturelle Verformung des Aluminiumgehäuses des Hohlraumfilters aufgrund der Wärmeausdehnung. Diese Abbildungen beziehen sich auf die ungleichmäßige Wärmequelle.
Oberflächenplot der Temperatur. Die Grafik zeigt, welche Bereiche des Aluminiumgehäuses und der Koaxialstecker heißer werden.
Die unten gezeigte vollständig gekoppelte Analyse des Hohlraumfilters demonstriert auch die Partial Transparency Postprocessing-Funktion, die ab COMSOL Multiphysics® Version 5.6 verfügbar ist.
Durch eine gekoppelte Analyse der elektromagnetischen, strukturellen und thermischen Effekte in einem 5G-Hohlraumfilter können wir bestimmen, wie die Leistung des Filters durch thermostrukturelle Phänomene beeinflusst wird. In diesem Fall erhalten wir das positive Ergebnis, dass die thermisch induzierte strukturelle Verformung die elektrische Leistung nicht signifikant beeinflusst.
Nächste Schritte
Versuchen Sie es selbst: Klicken Sie auf die Schaltfläche unten, um das Tutorial-Modell Thermostructural Effects on a Cavity Filter herunterzuladen.
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