Conception de filtres à cavité pour les dispositifs 5G grâce à la modélisation multiphysique
De mi à fin 2020, les smartphones compatibles avec la 5G ont commencé à être commercialisés auprès du grand public. Les filtres RF constituent un aspect essentiel de la nouvelle infrastructure 5G prenant en charge ces appareils. Ces filtres, qui sont utilisés pour bloquer les interférences de signaux, peuvent être soumis à des variations de température importantes entraînant une déformation mécanique, notamment dans des conditions environnementales extrêmes. Les ingénieurs qui conçoivent les filtres RF pour les appareils 5G doivent être en mesure d’analyser comment les variations de température et les contraintes thermiques affectent leurs performances. C’est là que la simulation multiphysique entre en jeu.
Qu’est-ce qu’une cavité RF ?
Les cavités RF sont utilisées dans de nombreuses applications RF et micro-ondes, notamment les radars, les fours à micro-ondes et (comme nous le verrons un peu plus loin) les stations de téléphonie mobile. On les trouve également dans les accélérateurs de particules, tels que le LHC (Large Hadron Collider) à l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN), qui comprend 16 cavités RF. Les accélérateurs de particules font appel à des cavités RF pour accélérer les particules chargées en leur donnant une impulsion électrique lorsqu’elles sont injectées dans la cavité.
À gauche, une cavité RF provenant d’un accélérateur de particules au CERN. Image par MarsPF2 — Travail personnel. Sous Licence CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons. À droite, l’auteur du blog lors d’une visite au CERN en 2018.
Filtres à cavité pour les dispositifs 5G
Les smartphones et autres dispositifs 5G doivent pouvoir transmettre et recevoir des signaux provenant d’une grande variété de sources. Ils ont besoin de plusieurs bandes de fréquences pouvant fonctionner simultanément par le biais d’une seule antenne, un système MIMO (entrées multiples – sorties multiples). Les filtres sont utilisés pour sélectionner les signaux souhaités dans une bande de fréquences spécifique et rejeter les fréquences indésirables, qui peuvent interférer avec les performances. L’infrastructure du réseau 5G fonctionne avec des bandes de fréquences plus récentes et plus élevées que jamais, allant de plusieurs GHz à des dizaines de GHz, ce qui accentue davantage le besoin de dispositifs de filtrage optimisés.
Une tour 5G près de Hattstedt en Allemagne. Image par Fabian Horst — Travail personnel. Sous licence CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons.
La 5G étant un réseau mondial, les structures et les dispositifs 5G sont présents dans des zones connaissant des conditions environnementales extrêmes, comme des changements soudains de température. Les variations de température peuvent provoquer une dilatation et une déformation structurelle des filtres RF, ce qui affecte leurs performances, par exemple, leurs paramètres S.
L’analyse thermique et la déformation sous contrainte mécanique sont des éléments importants à prendre en compte dans la conception des filtres, mais ils sont souvent laissés de côté dans l’approche conventionnelle de la conception de ce type de dispositif, axée sur l’électromagnétisme. Les expériences en laboratoire ont également tendance à négliger ces effets. Que peut faire un ingénieur ?
Analyse RF, thermique et mécanique d’un filtre à cavité dans COMSOL Multiphysics®.
Dans le tutoriel sur les effets thermomécaniques d’un filtre à cavité, nous illustrons comment la simulation multiphysique est utilisée pour analyser les fréquences de résonance d’un modèle de filtre à cavité.
Les filtres à cavité sont généralement constitués à la fois de matériaux diélectriques et métalliques. La conductivité des métaux varie avec la température, ce qui affecte les pertes dans le dispositif et dissipe de la chaleur. La dissipation de la chaleur entraîne une augmentation de la température, et une variation de la température provoque la dilatation ou la contraction des matériaux. Ainsi, lorsqu’un filtre à cavité subit une puissance élevée ou des conditions de température extrêmes, un écart peut survenir, ce qui rend la conception de ces filtres difficile.
Géométrie du modèle de filtre à cavité.
Le tutoriel dont il est question ici comprend trois études distinctes. Tout d’abord, il est possible d’effectuer une étude fréquentielle d’un filtre à cavité en cascade qui couvre deux bandes de fréquences usuelles pour les communications 5G :
- 26,5-29,5 GHz, utilisée pour les bandes 5G au Japon, en Corée du Sud et aux États-Unis
- 24,25-27,5 GHz, utilisée dans l’Union Européenne et en Chine
Ensuite, il est possible d’analyser la déformation thermique du filtre et son impact sur les performances du filtre en imposant une distribution uniforme de la température . Dans cette partie de l’étude, on examine le filtre avec deux scénarios différents :
- Températures ambiantes différentes (mais uniformes)
- Une variation de température (non uniforme) à travers le dispositif (par exemple, lorsqu’un composant voisin surchauffe)
La dernière partie du tutoriel montre comment il est possible de calculer une distribution de température non uniforme dans le modèle, au lieu d’imposer un écart de température uniforme, pour une modélisation plus fidèle à la réalité.
Hypothèses de modélisation
Avant de discuter du tutoriel, passons en revue certaines des principales fonctionnalités de modélisation de chaque physique.
- Électromagnétisme
- Condition d’impédance de frontière (IBC) utilisée pour éviter de modéliser les parois conductrices par des volumes
- Conductivité du revêtement métallique à l’intérieur de la cavité, dépendant de la température
- Un port réduit de type coaxial avec un terminal de type câble sert de source
- Mécanique du solide
- Connecteurs rigides appliqués au niveau des ports pour permettre les translations et les rotations, sans déformation
- Attache par ressort utilisée comme approximation d’un collage sur une plaque rigide
- Maillage mobile utilisé pour définir la déformation du domaine de l’air à l’intérieur de la cavité
- Transferts de chaleur
- Condition aux limites de Flux de chaleur permettant d’appliquer une variation linéaire de température (selon la direction x) (pour la source de chaleur irrégulière)
Étude fréquentielle
Les résultats du modèle montrent la norme du champ électrique et les paramètres S pour les deux bandes de fréquences 5G dans des conditions de fonctionnement normales, qui peuvent ensuite être comparés avec les modèles qui incluent les contraintes thermiques et les déformations mécaniques. La répartition du champ électrique révèle la présence d’un mode TE101 à l’intérieur de la cavité.
Norme du champ électrique (à gauche) et courbes des paramètre S (à droite) pour les bandes 5G du Japon, de la Corée du Sud et des Etats-Unis.
Norme du champ électrique (à gauche) et courbes des paramètres S (à droite) pour les bandes 5G de l’UE et de la Chine.
Analyse thermomécanique
L’analyse de couplage thermomécanique montre que la source de chaleur uniforme et la source de chaleur non-uniforme sur la plaque de fixation du filtre entraînent toutes les deux des déformations mécaniques.
A gauche : contraintes thermiques dans le filtre à cavité à 100 K au-dessus de la température initiale. A droite : norme du champ électrique à la dernière fréquence hors de la bande passante (le signal d’entrée n’atteint pas le port de sortie). Ces graphiques correspondent à la source de chaleur uniforme.
Les résultats suggèrent que bien que les fréquences de résonance soient affectées par les déformations et les contraintes thermiques, les paramètres S ne sont pas altérés de manière significative, validant ainsi le modèle.
À gauche : léger décalage des paramètres S dû à la déformation de la plaque de fixation. A droite : déformation mécanique du boîtier en aluminium du filtre à cavité due à la dilatation thermique. Ces valeurs correspondent à la source de chaleur non-uniforme.
Graphique de surface de la température. Le graphique met en évidence les régions du boîtier en aluminium et des connecteurs coaxiaux qui se réchauffent davantage.
L’analyse entièrement couplée du dispositif de filtre à cavité, illustrée ci-dessous, montre également la fonctionnalité d’exploitation des résultats nommée Transparence disponible depuis la version 5.6 de COMSOL Multiphysics®.
En effectuant une analyse couplée des effets électromagnétiques, mécaniques et thermiques dans un filtre à cavité 5G, il est possible de déterminer comment les performances du filtre sont affectées par les phénomènes thermomécaniques. Dans ce cas, des résultats satisfaisants sont obtenus et montrent que la déformation mécanique induite par la thermique n’affecte pas les performances électriques de manière significative.
Prochaines étapes
Lancez-vous : téléchargez le tutoriel Effets thermomécaniques d’un filtre à cavité en cliquant sur le bouton ci-dessous.
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