微波濾波器有助于防止微波發(fā)射器的輸出中出現(xiàn)不需要的頻率成分。然而，如果微波系統(tǒng)發(fā)生了熱漂移，濾波器的高頻穩(wěn)定性將變得很差。為了解決這個問題，并改進(jìn)濾波器的設(shè)計，系統(tǒng)工程師需要預(yù)測熱膨脹導(dǎo)致的通帶頻率的變化。多物理場仿真能夠幫助工程師順利完成這項任務(wù)。

改進(jìn)微波發(fā)射器的設(shè)計

當(dāng)設(shè)計微波發(fā)射器時，系統(tǒng)工程師必須保證輸出中沒有不需要的頻率。常用的解決方案是在發(fā)射器天線和非線性功率放大器之間放置一個微波濾波器。通過使用一個或多個窄帶濾波器對輸出進(jìn)行處理，工程師可以將放大器產(chǎn)生的諧波消除。

微波發(fā)射塔。圖片由 Tom Page 拍攝。已獲 CC BY-SA 2.0 授權(quán)，并通過 Flickr Creative Commons 共享。

這種方案自身也存在問題。當(dāng)發(fā)射器暴露在高功率載荷下和嚴(yán)酷的環(huán)境中時（比如暴露在極熱的沙漠中的蜂窩基站），可能產(chǎn)生熱漂移。

在沙漠暴曬等嚴(yán)酷的環(huán)境中，微波發(fā)射器內(nèi)會發(fā)生熱漂移。圖片已獲 CC BY 4.0 授權(quán)，并通過 ESO/C. Malin 共享。

結(jié)構(gòu)的熱膨脹會擾亂微波系統(tǒng)中濾波器的頻率響應(yīng)。因此，為了設(shè)計可靠的濾波器，我們不但要進(jìn)行精確的電磁分析，而且還要研究溫度上升引起的結(jié)構(gòu)變形。本文的示例表明，我們可以借助 COMSOL Multiphysics? 軟件的“RF 模塊”和“結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊”實現(xiàn)上述操作。

微波濾波器中的熱效應(yīng)建模

我們首先觀察一下模型：銅盒內(nèi)是一根直立的圓柱體，銅盒表面鍍了一層可降低損耗的銀薄膜。圓柱體和銅盒之間的電磁空腔是充滿空氣的密閉空間。現(xiàn)實中的濾波器常常包含多個級聯(lián)空腔，不過我們模型僅重點分析一個空腔。

為了方便比較不同的設(shè)計對濾波器性能的影響，我們構(gòu)建了兩個不同的模型：

只包含銅盒的設(shè)計

包含銅盒和鋼圓柱體的設(shè)計

微波腔體濾波器的幾何結(jié)構(gòu)。

當(dāng)外部加熱、周圍電子設(shè)備的功率消耗等因素導(dǎo)致腔體壁的溫度均勻升高時，就會發(fā)生熱膨脹以及由此引起的特征頻率偏移現(xiàn)象。在本文中，我們利用“結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊”中的固體力學(xué) 接口來模擬熱膨脹。熱膨脹導(dǎo)致濾波器的幾何結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，這一點可通過變形接口 進(jìn)行分析。扭曲的形狀則用于電磁分析。

為了對微波腔體進(jìn)行特征頻率分析，我們選擇使用“RF 模塊”中的三維電磁波，頻域 接口。在下一節(jié)中，我們一起查看相關(guān)的研究結(jié)果。

研究熱漂移對微波濾波器的影響

利用銅濾波器的設(shè)計，我們計算了濾波器的熱膨脹，并進(jìn)行了電磁共振模態(tài)分析。基于分析，我們能夠確定濾波器的最低特征頻率和圓柱的標(biāo)準(zhǔn)四分之一波長的諧振頻率。仔細(xì)觀察結(jié)果，我們在圓柱體頂部及其與銅盒的相鄰面之間發(fā)現(xiàn)了一處強烈的電容耦合。

上圖：當(dāng)溫度為 100°C（超過參考溫度）時的熱膨脹。下圖：電磁模態(tài)分析描述了基本模式的表面電流分布圖和電場。

接下來，我們多次修改工作溫度，并重復(fù)進(jìn)行力學(xué)與電磁分析，然后利用得到的數(shù)據(jù)繪制特征頻率隨溫度變化的曲線。根據(jù)繪圖，我們可以對比只包含銅盒與同時包含銅盒和鋼圓柱體的濾波器設(shè)計。

銅濾波器設(shè)計和銅-鋼濾波器的特征頻率隨溫度變化的曲線。

結(jié)果表明同時包含銅和鋼的設(shè)計方案表現(xiàn)更加出色。這是因為兩種材料擁有不同的熱膨脹系數(shù)，所以圓柱體頂部和銅盒相鄰面之間的電容耦合減少了。電容耦合對特征頻率的影響很大，當(dāng)電容耦合減少時，它能抵消腔體總體尺寸增大產(chǎn)生的影響。

此外，在銅-鋼濾波器設(shè)計中，我們可以利用溫度驅(qū)動來調(diào)整圓柱體底部和銅盒之間的距離，從而抵消大部分熱漂移。