誘電体装荷導波路フィルタの熱解析

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序章

方形導波管 H プレーン フィルターは、通信デバイスに使用される最も一般的な HF フィルター トポロジーの 1 つです。その機能と信号伝送性能を向上させるために、多くの努力が構造トポロジーの開発と改善に向けられています: 質量と体積の削減、帯域外除去の増加、高電力レベルでの熱安定性の向上、 RF 故障などのリスク

解析された H 面導波管フィルター トポロジーは、参考文献 [1] によって提案されています。これは、誘導性アイリスによって分離され、円筒形の誘電体ポストが搭載された、長方形の結合導波路空洞で構成されています。これらのポストは、図 1 に示すように各空洞の中央に配置されます。共振空洞を含むフィルタの入力および出力導波管ポートは、標準の WR75 (a=19.05mm、b=9.525mm) です。

HFWorks を使用した FEM 解析により、[10.5 GHz ～ 11.5 GHz] の周波数範囲で調査対象のフィルター トポロジーの電磁気的および熱的挙動をシミュレートできます。この研究では、デバイスの電力損失レベルと熱安定性に対する追加負荷の誘電特性の影響を定量化しようとしています。

問題の説明

熱ソルバーに結合された HFWorks の S パラメータ スタディを使用して、[10.5 GHz ～ 11.5 GHz] の範囲の周波数について、検討対象のフィルタ全体の電場と磁場の強度と損失分布を予測します。詳細な寸法と使用材料プロパティは、それぞれ表 1 と表 2 によって示されます。

電磁境界条件

ウェーブ ポート:ウェーブ ポート境界は、入口/出口 WG の両方の面に適用され、1 ワットのマイクロ波電力が供給されます。

メッシュ

高精度ソルバーを使用して、最小メッシュ詳細のより正確な結果を取得します。メッシュ化されたモデル全体を次の図に示します。

結果

HFWorks の S パラメータ スタディ シミュレーションは、動作周波数を 11 GHz に設定した場合の次の結果を示します。最初のプロットは、1 ワットに設定された励起電力に対するスタディ フィルタ内の電界分布を示しています。

(a)

(ロ)

次の図 4 では、リターン損失と挿入損失の結果が周波数スイープに対してプロットされています。 は 36% で、リターン ロスは帯域幅全体で 18 dB を超えています。 HFWorks シミュレーションは、拒否されたバンドを完全にキャプチャします。

HFWorks 内の損失解析には、導体損失と誘電体損失の両方が含まれます。次の図は、1 ワットの励起電力に対する体積損失と表面損失の分布を示しています。誘電損失は、導体全体の誘電損失と比較して、負荷内部で大きくなります。

誘電体ポストが存在すると、調査対象の設計内の体積損失が増加します。これらの損失は、フィルター機能中に熱に変換されます。熱に連成された HFWorks により、11GHz の動作周波数の温度プロファイルを予測できます。対流境界条件は、周囲温度で 10 W/m²K に設定された対流係数で外部ハウジングに適用されます。励起電力が低い場合、定常状態の温度は、誘電体ポスト内で約 57°C で最大値に達します。

結論

金属エンクロージャ フィルタの性能を向上させるために、開発されている新しいトポロジは、ほとんどがカップリングの手段によって差別化されています: アパーチャ、アイリス、および誘電体ポスト。後者のカップリング ツールは Ref[1] によって検討され、H プレーン キャビティ フィルターの HFWorks を使用してシミュレートされました。多くの参考文献では、これらのトポロジーの利点が、アプリケーションの高出力に対する熱安定性の強化、帯域外除去の増加、電界分布の改善において確認されています。電界分布の改善は、低電圧倍率 (VMF) によって説明できます。 VMF が低いと、電場のピークを誘電体負荷の内側に集中させ、誘電体ポストの外側で減少させることができます。一方、オールメタルフィルターの場合、低いVMFが得られません。ただし、高誘電材料特性の使用は、誘電負荷内部の損失レベルの上昇に直接関係しているため、慎重に選択する必要があります。

参考文献

[1]。Aghayari, Hassan, et al. "Realization of dielectric loaded waveguide filter with substrate integrated waveguide technique based on incorporation of two substrates with different relative permittivity." AEU-International Journal of Electronics and Communications 86 (2018): 17-24.