Elektromagnetik-Analyse Multiphysik-Simulation für eine robuste Leistung von 5G-Geräten

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Multiphysik-Simulation in der Praxis: Die Kommunikation mit hoher Geschwindigkeit und Datenrate ist unerlässlich für 5G. Um die benötigte Bandbreite zu unterstützen, gilt es, den Bus-Speed des Systems und die Trägerfrequenz zu erhöhen. Die Betriebsfrequenz von Kommunikationssystemen und -komponenten hat sich von der konventionellen Mikrowelle auf Millimeterwellen verlagert.

Eine höhere Mittenfrequenz eines Geräts geht mit kleineren Wellenlängen einher, was zu einer geringeren Größe der Geräte führt. Jede physikalische Störung eines solch kleinen Geräts, insbesondere eines Geräts, das auf der Grundlage seiner Resonanz entwickelt wurde, könnte sich auf seine Leistung auswirken, zum Beispiel auf die Impedanzanpassung, die Einfügedämpfung und die Verschiebung der Mittenfrequenz. 

Wenn ein Gerät, das unter idealen Laborbedingungen entwickelt wurde, in einer realen Umgebung eingesetzt wird, können Temperaturschwankungen zu thermischer Expansion und struktureller Verformung führen. Raue Umgebungsbedingungen und ungenaue Fertigungstoleranzen können zu physikalischen Verzerrungen führen, die von der ursprünglichen Designspezifikation abweichen. Angenommen, durch Multiphysik-Simulation können zusätzliche physikalische Effekte in die herkömmlichen Simulationen für elektromagnetische Komponenten einbezogen werden. Dann können Ingenieure unerwartete Ergebnisse erfassen, ohne Temperaturkammer-Experimente und Feldtests im Freien durchführen zu müssen. Multiphysik-Simulation reduziert die Anzahl der Iterationen im Entwicklungszyklus und beschleunigt den Prozess von Design, Fertigung und Tests.

Multiphysik-Simulation für mehr Durchblick

Das folgende Beispiel, ein kaskadierter Hohlraum-Bandpassfilter (Bild 1), beschreibt, wie man mit der Software Comsol Multiphysics multiphysikalische Phänomene wie thermostrukturelle Effekte in ein herkömmliches Elektromagnetik-Modell einbeziehen kann. Indem wir das Modell in drei verschiedenen Szenarien betrachten, können wir die Leistung des Geräts bei Temperaturschwankungen untersuchen.

• 1. Ein konventionelles Elektromagnetik-Modell eines kaskadierten Hohlraum-Bandpassfilters für den Betrieb in zwei 5G-Millimeterwellenbändern: ein Frequenzband für Japan, Korea und die USA umfasst 26,5-29,5 GHz, während das andere Band für die Europäische Union und China 24,25-27,5 GHz umfasst

• 2. Eine Strukturmechanik-Simulation, um die durch die vorgeschriebene gleichmäßige Temperaturverteilung erzeugte thermische Verformung miteinzubeziehen und die Auswirkungen auf den Frequenzgang zu ermitteln

• 3. Eine Wärmetransport-Simulation, um die thermische Verformung durch die berechnete ungleichmäßige Temperaturverteilung zu berücksichtigen, die sich auf die Filterleistung auswirkt (Bild 1)

Elektromagnetik-Analyse von Hohlraumfiltern

Durch Lösen der aus den Maxwell-Gleichungen abgeleiteten Vektor-Helmholtz-Wellengleichung (1) ist es möglich, die Wellenausbreitung und das Resonanzverhalten des Geräts zu analysieren.

Das Modell besteht aus sechs rechteckigen Hohlraumresonatoren, die durch zwei 2,92 mm (K) Anschlüsse verbunden sind. Es gibt zwei Untergruppen von Hohlraumresonatoren. Eine Reihe von Hohlraumresonatoren ist mit induktiven Blenden in Bezug auf die durch den Koaxialstift angeregte Polarisation verbunden. Zwei Untergruppen sind durch eine koaxiale Struktur gekoppelt. 

Bei der Entwicklung solcher Hohlraumfilter lässt sich die anfängliche Größe jedes Hohlraumresonators anhand der Resonanzfrequenz einer rechteckigen Hohlraumstruktur (2) schnell abschätzen, wobei a und b die Abmessungen der Öffnung eines Wellenleiters sind und d die Länge des rechteckigen Hohlraumresonators ist.

Hier haben wir die Frequenz für die TE101-Mode gewählt. Das Volumen des metallischen Gebiets des Filters und der Anschlüsse ist dick im Vergleich zur Resonanzwellenlänge. Es ist nicht zu erwarten, dass Wellen durch diese Gebiete dringen. Daher werden nur die Wandoberflächen in die Berechnungen einbezogen. Wenn metallische Oberflächen eine endliche Leitfähigkeit haben und verlustbehaftet sind und der Verlust nicht vernachlässigbar ist, können sie mit der Randbedingung Impedance modelliert werden.

Zur weiteren Vereinfachung der Modellierungsschritte könnte ein bestimmter Teil des Modells als verlustfrei angenommen und durch das Feature Perfect Electric Conductor (PEC) dargestellt werden. Der dielektrische Teil der Koaxialstecker kann zur weiteren Vereinfachung verlustfrei sein. Die beiden koaxialen Anschlüsse werden mithilfe der koaxialen Lumped Ports erregt und terminiert, wobei die Referenzimpedanz 50 Ω beträgt. Mit einigen Eingabedateien, die die Hohlraumgeometrie aktualisieren, können das US-5G-Band (26,5-29,5 GHz) und das EU-5G-Band (24,25-27,5 GHz) separat im Frequenzbereich untersucht werden. Die berechneten Ergebnisse zeigen, dass jede Simulation sechs Pole, entsprechend der Anzahl der Hohlraumresonatoren, im Frequenzband aufweist. Die Einfügungsdämpfung S21 ist besser als 0,25 dB, und S11 liegt unter -17,5 dB im US-Band, einschließlich Korea und Japan. Die Bandbreite des EU-Bandes, einschließlich China, ist größer als die US-Bandbreite. Bei gleicher Anzahl von Hohlraumelementen führt die größere Bandbreite zu einer Verschlechterung von S11, insgesamt unter -13 dB, und zu einer Einfügedämpfung von 0,3 dB.

Multiphysik-Simulation: Einbeziehung thermischer Verformungseffekte

Nun nehmen wir einfache thermische Verformungseffekte in das Modell auf. Daher müssen die Materialeigenschaften für andere physikalische Phänomene aktualisiert werden. Das dielektrische Material in den Koaxialsteckern sollte den Ausdehnungskoeffizienten (CTE), den Elastizitätsmodul, die Poisson-Zahl, die Dichte, die Wärmeleitfähigkeit und die spezifische Wärme enthalten. Für ein schnelles Prototyping werden die Werte so gewählt, dass sie denen des FR4-Materials ähnlich sind. Die Analyse der thermischen Verformung erfordert die Einbeziehung des gesamten Aluminiumkörpers des Filters und der Messinganschlüsse, die nicht Teil der reinen Elektromagnetik-Analyse waren. Außerdem wird eine Klebeschicht auf einer Seite des Steckerkörpers hinzugefügt. Unter Verwendung der thermischen Expansion des linear elastischen Materials werden im zweiten Fall die Auswirkungen von Temperaturschwankungen auf die Leistung des Geräts untersucht. Dazu gehören gleichmäßig unterschiedliche Umgebungstemperaturen und deren Auswirkungen. 

Diese Bedingung beschreibt die Situation, wenn eine benachbarte Komponente eine Temperaturdrift aufweist. Die solide Gehäusestruktur dehnt sich aufgrund von Temperaturschwankungen aus und schrumpft. Daher müssen die Verformungen des massiven Teils und der Luftgebiete im Hohlraumresonator untersucht werden. Die elektrische Leitfähigkeit der Beschichtung an den Hohlraumwänden kann sich mit der Temperatur ändern. Da es sich um eine strukturelle Verformung handelt, sollten einige Annahmen getroffen werden, die den Filter mit der Umgebung verbinden. Die Struktur kann fest mit einem vollkommen starren Bereich, der Grundplatte, verbunden werden, wobei eine dünne Schicht Klebstoff den Filter mit der starren Substratstruktur verbindet. Für die Modellierung der Verbindung zwischen dem verformten Filter und dem starren Substrat verwenden wir das Feature Spring Foundation, das den verbundenen Teil allmählich in den verformten Zustand überführt.

Die Ränder der Anschlüsse behalten die Geometriekonfiguration bei, wie zum Beispiel planare und ringförmige Querschnitte, unabhängig von den thermischen Schwankungen. Daher werden diese Flächen von zwei Instanzen des Features Rigid Connector berücksichtigt, die dafür sorgen, dass die Ränder ihre Form und Größe beibehalten, während sie sich aufgrund der Verformung bewegen oder drehen können. Drei verschiedene isothermische Bedingungen, -40°C, 20°C und 120°C, werden angewendet. Das Feature Moving Mesh ist notwendig, um die Verformung des Gebiets zu definieren. Ein parametrischer Sweep aktualisiert die Temperaturänderung. Für jede Temperaturänderung wird ein Frequenzsweep im EU-5G-Band durchgeführt. Wenn die Temperatur sinkt, führt die thermostrukturelle Verformung zu einer kleineren Hohlraumgeometrie, und das Muster der S-Parameter verschiebt sich zu den höheren Frequenzen.

Andererseits werden die Frequenzgänge mit steigender Temperatur nach unten verschoben. Die Gesamtleistung des Filters in Bezug auf die S-Parameter wird durch die thermische Expansion der Filtergeometrie nicht stark beeinträchtigt.

Berücksichtigung der thermischen Verformung

In der Realität könnte die Temperaturverteilung auf dem Filter aufgrund der unerwarteten Wärmequelle ungleichmäßig sein. Dies ist zu berechnen, indem die Gleichung für den Wärmetransport (3) gelöst wird, anstatt eine feste, gleichmäßige Temperaturabweichung vorzuschreiben.

Bei diesem Beispielmodell wird die Platte, auf der sich das Gerät befindet, durch eine externe Quelle ungleichmäßig erwärmt. Diese ungleichmäßige Erwärmung ist als räumliche Zunahme in einer Richtung definiert. Sie verzerrt den Filter und beeinträchtigt den Frequenzgang. Das Physik-Interface Heat Transfer in Solids wird auf alle festen Gebiete angewendet. Der Wärmestrom durch Wärmeleitung und Konvektion durch die Luft im Inneren der Hohlraumresonatoren wird nicht berücksichtigt, wenn die Luft ein guter Isolator ist. Da die Wärmeleitung zur Grundplatte am wichtigsten ist, vernachlässigt man die Strahlung innerhalb der Hohlraumresonatoren und in die Umgebung. Die thermischen Auswirkungen auf die dünnen, hochleitfähigen Beschichtungen sind thermisch nicht wesentlich und werden ebenfalls vernachlässigt. Die Randbedingung Heat Flux befasst sich mit den Temperaturschwankungen der Grundplatte. Die Grundplatte ist eine relativ große Metallplatte mit einer externen Temperaturverteilung.

Das Interface Solid Mechanics ist identisch mit der vorherigen Modellkonfiguration. Die Randbedingung Impedance für die Elektromagnetik-Analyse muss die berechnete Temperatur aus der Multiphysik-Kopplung für den Wärmetransport lesen. Der Multiphysik-Knoten im Model Builder verfügt über das Feature Thermal Expansion, das die berechnete Temperaturverteilung als thermische Expansion auf das Interface Solid Mechanics anwendet. Zwei Physik-Interfaces werden bidirektional gekoppelt, um mehrere physikalische Phänomene zu verbinden. Zuerst lösen wir das thermostrukturelle Problem und dann berechnen wir das elektromagnetische Problem für den verformten Zustand.

Der Filter wird durch die ungleichmäßige Wärmequelle auf der Grundplatte verformt. Die S-Parameter werden jedoch nicht wesentlich beeinträchtigt. Das Ausmaß der Verformung ist geringer, wenn man es mit den Ergebnissen der Umgebungstemperaturänderung (gleichmäßige Temperaturverteilung) im vorherigen Aufbau vergleicht. Die Plots zur Temperaturverteilung beschreiben visuell, welcher Teil des Aluminiumgehäuses heißer und von den thermostrukturellen Effekten betroffen ist.

Fazit zur Multiphysik-Simulation

Eine herkömmliche Elektromagnetik-Simulation wurde um die thermostrukturellen Auswirkungen auf die Leistung des Millimeterwellenfilters erweitert. Durch multiphysikalische Analysen lässt sich sicherstellen, dass die Leistung von Hochgeschwindigkeits-Kommunikationssystemen und -komponenten unter rauen Umgebungsbedingungen ausreichend robust ist.

Diese Modellierungsmethodik ist zur Verbesserung der Frequenzgänge anderer Arten von resonanzbasierten Bauelementen wie Filtern, Kopplern und Antennen nutzbar – sie ist nicht auf HF-Komponenten beschränkt.