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，并改進濾波器的設(shè)計，系統(tǒng)工程師需要預測熱膨脹導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)。

改進微波發(fā)射器的設(shè)計

當設(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。當發(fā)射器暴露在高功率載荷下和嚴酷的環(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?，F(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)。

當外部加熱、周圍電子設(shè)備的功率消耗等因素導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)力學模塊”中的固體力學 接口來模擬熱膨脹。熱膨脹導致濾波器的幾何結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，這一點可通過變形接口 進行分析。扭曲的形狀則用于電磁分析。

為了對微波腔體進行特征頻率分析，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，并進行了電磁共振模態(tài)分析?；诜治?，我們能夠確定濾波器的最低特征頻率和圓柱的標準四分之一波長的諧振頻率。仔細觀察結(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，并重復進行力學與電磁分析，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。