マルチフィジックスモデリングによる5G デバイス用キャビティフィルターの設計

2021年 4月 13日

2020年半ばから後半にかけて, 注目の5G 対応スマートフォンが一般に展開され始めました. この5G のインフラを支える重要な部品のひとつが, RF フィルターです. 信号の干渉を防ぐために使用されるこれらのフィルターは, 特に過酷な環境条件下では, 大きな温度変化にさらされ, 構造が変形してしまうことがあります. 5G 機器用の RF フィルターを設計するエンジニアは, 温度変化と熱応力がフィルターの性能にどのように影響するかを解析できなければなりません. そこで, マルチフィジックスシミュレーションが活躍します.

RF キャビティとは?

RF キャビティは, レーダー, 電子レンジ, 携帯電話など, 多くの高周波, マイクロ波応用製品に使用されています (後述します). また, 欧州原子核スタディ機構 (CERN) の大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) のような粒子加速器にも RF キャビティがあり, 16個の RF キャビティを備えています. 粒子加速器は, 荷電粒子をキャビティに注入する際に電気的な衝撃を与えて加速させるために RF キャビティを使用します.

CERN (セルン) の粒子加速器に搭載された銅色の RF キャビティの写真.
CERN の構造物の前に立つ女性を撮影した写真.

左は CERN の粒子加速器からの RF キャビティ. 画像: MarsPF2 – 自作. ライセンスはCC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons経由. 右は, 2018年に CERN を訪問した際のブログ筆者.

5G デバイス用キャビティフィルター

スマートフォンをはじめとする5G デバイスは, さまざまなソースからの信号を送受信する必要があります. そのため, 1つのアンテナで複数の周波数帯域を同時に使用できる MIMO (Multiple Input, Multiple Output) システムが必要です. フィルターは, 特定の周波数帯域から目的の信号を選択し, 性能の妨げとなる不要な周波数成分を除去するために使用されます. 5G ネットワークインフラは, 数 GHz から数十 GHz と, これまでよりも新しく高い周波数帯域で動作するため, 最適化されたフィルターデバイスの必要性がさらに高まっています.

緑豊かな野原に囲まれた5G 通信タワーの空撮写真.
ドイツ, ハットシュテット近郊の5G タワー. 画像: Fabian Horst – 自作. ライセンスはCC BY-SA 4.0, Wikimedia Commons 経由.

5G は世界規模のネットワークであるため, 5G の構造やデバイスは, 急激な温度変化など, 極端な環境条件にさらされる地域に存在します. 温度変化は, RF フィルターの膨張や構造変形を引き起こし, 例えば S パラメーターのような性能に影響を与える可能性があります.

熱解析と応力変形は, フィルター設計において重要な考慮事項ですが, この種のデバイスに対する従来の電磁気学主導の設計アプローチでは, しばしば省かれることがあります. また, 実験室での実験も, これらの影響を無視する傾向があります. では, エンジニアはどうすればよいのでしょうか?

COMSOL Multiphysics® によるキャビティフィルターの RF, 熱, 応力解析

チュートリアルモデル Thermostructural Effects on a Cavity Filter では, マルチフィジックスシミュレーションを使用し, キャビティフィルター設計の共振周波数を解析する方法を紹介しています.

キャビティフィルターは, 一般的に誘電体と金属材料で作られています. 金属の導電率は温度によって変化し, デバイスの損失に影響を与え, 熱を放散させます. 放熱は温度上昇を招き, 温度変化は材料の膨張, 収縮を引き起こす. そのため, キャビティフィルターに高い電力負荷がかかり, 極端な温度環境になるとドリフトが発生することがあり, そのようなフィルターの設計は困難でした.


キャビティフィルターのモデル形状.

ここで説明するチュートリアルモデルには, 3つの個別スタディが含まれています. まず, 5G 通信の 2つの一般的な波長帯をカバーするカスケード型キャビティフィルターの周波数領域スタディを実行できます:

  • 26.5–29.5 GHz (日本, 韓国, 米国の5G 帯に使用)
  • 24.25–27.5 GHz (欧州連合と中国の5G バンドに使用)

次に, 所定の均一な温度分布を持つフィルター装置の熱変形と, それがフィルター性能に与える影響を解析することができます. このパートでは, 2つの異なるシナリオでフィルターを解析しています:

  • 異なる (しかし一様な) 周囲温度
  • デバイス全体の温度変化 (不均一) (例えば, 近くの部品がオーバーヒートした場合など)

チュートリアルの後半では, 実際のシナリオをより正確に表現するために, 課された固定の一様な温度偏差を使用するのではなく, モデル内で非一様な温度分布を計算する方法を示しています.

モデリングの前提

チュートリアルに入る前に, 各物理学の主要なモデリング機能を説明します.

  • 電磁気学
    • 導電性壁を体積としてモデル化する代わりにインピーダンス境界条件 (IBC) を使用
    • キャビティ内部の金属皮膜の温度に依存した導電率
    • 端子形状をケーブルとした同軸型集中ポートをソースとして使用
  • 構造力学
    • ポートに剛体境界を使用し, 運動と回転は許容するが, 変形は許容しない
    • 剛体板への接着の近似としてスプリングファンデーションを使用
    • キャビティ内の空気領域の変形を定義するために移動メッシュを使用
  • 熱伝導
    • 熱流境界条件は, 線形に変化する (x方向に沿った) 温度源 (非一様な熱源の場合) を与えるために使用されます.

周波数領域でのスタディ

モデルの結果は, 通常の動作条件における5G の2つの周波数帯の電界ノルムと S パラメーターを示しており, これを用いて, 熱応力や構造変形を含むモデルと比較することができます. 電界パターンは, キャビティ内部に TE101モードが存在することを示しています.

日本, 韓国, 米国の5G バンドの電場ノルムをレインボーカラーテーブルで可視化したシミュレーション結果.
日本, 韓国, および米国の5G バンドの電場ノルム (左) と S パラメータープロット (右)

日本, 韓国, および米国の5G バンドの電場ノルム (左) と S パラメータープロット (右)

COMSOL Multiphysics でレインボーカラーテーブルで可視化した, EU と中国の5G バンドにおける電場ノルムのプロット.
EU と中国の5G 帯の S パラメーターをプロットした折れ線グラフ.

EUおよび中国 の5G バンドの電場ノルム (左) と S パラメータープロット (右).

熱構造解析

熱構造連成解析の結果, フィルターのベースプレート上の熱源が均一であっても不均一であっても, 構造的な変形が生じることが明らかになりました.

キャビティフィルターを初期温度より100 K 高い温度で加熱したときの熱応力をプロットし, レインボーカラーテーブルで可視化したもの.
通過帯域外の最後の周波数で動作するキャビティフィルターの電場ノルムを示すシミュレーション結果.

左: 初期温度から100 K 上昇したときのキャビティフィルターの熱応力. 右: 通過帯域外の最後の周波数における電場ノルム (入力信号が出力ポートに到達しない). これらの数値は均一な熱源を用いた場合.

この結果から, 共振周波数は変形や熱応力の影響を受けていますが, S パラメーターは大きく歪んでおらず, 設計の妥当性を示しています.

ベースプレートが変形したためにキャビティフィルターがわずかにシフトしたことを示す S パラメータープロット.

熱膨張によって引き起こされ, レインボーカラーテーブルで可視化されたキャビティフィルターのハウジングの構造変形を示すシミュレーション結果.

左: ベースプレートの変形による S パラメーターのわずかなシフト. 右: キャビティフィルターのアルミニウム筐体の熱膨張による構造変形. キャビティフィルターのアルミ筐体の熱膨張による構造変形.熱源に凹凸がある場合の数値.

温度が黄 - 赤のカラーグラデーションでプロットされた RF キャビティフィルターモデル.
温度のサーフェスプロット. アルミ筐体や同軸コネクターのどの部分が熱くなるかをプロットしています.

下図に示すキャビティフィルターデバイスの完全連成解析は, COMSOL Multiphysics® バージョン 5.6 で利用可能となった部分的透明のポストプロセス機能も実証しています.

部分的に透明なハウジングを備えた完全に結合されたキャビティフィルターモデル.

5G キャビティフィルターにおける電磁気, 構造, および熱の効果の連成解析を行うことで, フィルターの性能が熱構造的な現象によってどのように影響されるかを判断することができます. このケースでは, 熱による構造変形が電気性能に顕著な影響を与えないという肯定的な結果が得られました.

次のステップ

自分で試す: 下のボタンをクリックして, チュートリアルモデル Thermostructural Effects on a Cavity Filter を入手してください.

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