For Robust mmWave Performance: Capture Thermo-Structural Effects with Multiphysics Simulation

Jiyoun Munn, COMSOL, Inc., Burlington, Mass.

多物理场仿真可以捕捉到毫米波电路在实际工作条件下的性能，而不需要进行昂贵和耗时的环境测试。仿真减少了开发周期中的迭代次数，加快了设计、制造和测试过程。

高速、高数据率的通信对地面和卫星之间的5G信号传播至关重要，比如通过低轨卫星的宽带通讯。虽然通过多种设备进行大规模数据传输已经是日常生活的一部分，但我们仍然需要在不同的通信渠道中使用更大的带宽以获取更多信息。为了加大带宽，我们可以通过提高系统总线速度和载波频率来实现，通信系统的工作频率也因此从传统的微波迁移到了毫米波。

器件的工作频率越高波长也就越小，由此导致器件的尺寸也要相应减小。这种小型器件，特别是那些在谐振电路中的器件遇到任何物理扰动时，都可能会产生阻抗匹配、插入损耗和频率调谐的变化，从而影响其工作性能。当一个在理想的实验条件下设计出的器件被部署在实际工作环境中时，温度的变化可能会引起器件的结构变形。这种环境条件的影响，再加上制造公差，可能会使器件性能超出设计规格。如果在设计期间使用多物理场仿真，将这些物理效应与传统的电磁元件仿真结合起来，就可以提早发现这类意外的结果，从而避免进行昂贵的、耗时的温控和现场测试。换句话说，多物理场仿真可以减少开发过程中的迭代次数，加快产品的设计、制造和测试进程。

多物理场设计实例

在下面的例子中，使用传统的电磁模型设计一个级联腔体带通滤波器（图1），并使用COMSOL Multiphysics^®软件增加了热-结构效应等多物理耦合分析。¹ 该滤波器在两个5G频段的毫米波上工作：日本、韩国和美国为26.5-29.5GHz，欧盟和中国为24.25-27.5GHz。首先，构建一个级联腔体带通滤波器的传统电磁模型；接下来添加结构力学模型，包括假设温度分布均匀的热变形，以评估其对频率响应的影响；最后，使用传热模型进一步分析非均匀温度分布下的热变形对滤波器性能的影响。

图1 带有2.92毫米（K）连接器的级联式腔体滤波器。前面板被拆除，以显示其内部结构。

腔体滤波器的电磁模型

通过求解从麦克斯韦方程衍生出来的矢量亥姆霍兹波方程（见方程1），可以分析滤波器中的电磁波传播和谐振行为。

图1所示的腔体滤波器包括两个子集的六个矩形腔体，由两个2.92毫米的K型连接器加载。这两个子集分别由K型连接器的同轴引脚激发的电感线圈连接，并通过同轴结构相互耦合。

在设计这种腔体滤波器时，每个腔体的初始尺寸可以从矩形腔体结构的谐振频率中快速估算出来。

其中a和b是波导孔径的尺寸，d是矩形腔的长度。选择TE101模式的谐振频率。滤波器和连接器的金属部分的体积与谐振波长相比很厚，预计不会出现穿透。因此，只有壁面被包括在计算中。当金属表面是有损且传导性有限，并且损失是不可忽略的情况下，表面可以使用阻抗边界条件进行建模。进一步简化，可以假设模型的一些部位是无损耗的，用完美电导体表示。同轴连接器的电介质部分也被假定为无损耗。

两个同轴连接器使用同轴集总端口进行激励和端接，其中参考阻抗为50Ω。

原文始发于微信公众号（actMWJC）