CN116306149A - 一种滤波器模组的热仿真方法、系统及相关设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种滤波器模组的热仿真方法、系统及相关设备，其中，滤波器模组的热仿真方法包括步骤：建立包含谐振器和双模声表面波滤波器的等效电路；绘制电学版图；根据等效电路确定输入信号的频率和功率；并根据输入信号的频率和功率获取谐振器的发热功率和双模声表面波滤波器的发热功率；根据电学版图建立热仿真模型；根据谐振器的发热功率和双模声表面波滤波器的发热功率设置滤波器模组进行热仿真的边界条件；根据热仿真模型和边界条件进行传热仿真，得到滤波器模组的热仿真数据。本发明中的滤波器模组的热仿真方法解决了滤波器模组包含双模声表面波滤波器时，相关技术无法对滤波器模组进行传热仿真的问题。
Description
【技术领域】
本发明涉及滤波技术领域，尤其涉及一种滤波器模组的热仿真方法、系统及相关设备。
【背景技术】
声表面波滤波器具有工作频率高、体积小及适宜大规模生产等特点，现已被广泛应用于无线通信领域，具体结构是将声表面波阻抗元滤波器制作在压电基材上，以构成声表面波阻抗元滤波器的主体。
随着通信技术的发展，声表面波滤波器不断向着高频化、低损耗及高功率承受力等方向发展，由于声表面波滤波器的工作频率与叉指换能器的指条线宽呈反比，其工作频率越高，叉指换能器指条线宽便会越细，这使得声表面波滤波器在高频工作时功率承受能力降低，极有可能在应用过程中发生损坏。
声表面波滤波器工作中的损耗功率几乎都在以热量的形式耗散，也就是说损耗功率近似于发热功率，基于这一规则，建立接近真实器件的热分析模型来预测声表面波滤波器的热学特性是优化声表面波滤波器的功率耐受性设计的重要手段。
声表面波滤波器的功率耐受性仿真实际就是获取其在工作时损耗掉的电学能量转化为热能后在滤波器上的温度分布，通过设计优化使其在规定输入功率下最高温度不达到电极损毁的阈值，便可避免声表面波滤波器在应用过程中发生损坏的现象。
声表面波滤波器的设计涉及到电场与固体力学的耦合，其结构以及物理求解模型的复杂程度不利于直接进行数值分析，因此常用二维简化模型及等效电路模型或者其他唯象模型等进行设计。一般地，滤波器可以由DMS(双模声表面波滤波器)和谐振器级联构成，当滤波器不包含DMS时，可以通过等效电路的电流电压获得谐振器的发热功率，然而，当滤波器包含DMS时，由于DMS没有普适的等效电路，其发热功率的获取不便，因此相关技术没有能进行含DMS结构滤波器的等效电路级的温度仿真，即滤波器包含DMS时，相关技术无法对滤波器进行传热仿真。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种滤波器模组的热仿真方法，以解决滤波器包含DMS时，相关技术无法对滤波器进行传热仿真的问题。
为了解决上述技术问题，第一方面，本发明提供了一种滤波器模组的热仿真方法，其包括以下步骤：
建立包含谐振器和双模声表面波滤波器的滤波器模组的等效电路；
根据所述等效电路绘制所述滤波器模组的电学版图；
根据所述等效电路确定输入信号的频率和功率；并根据所述输入信号的频率和功率获取所述谐振器的发热功率和所述双模声表面波滤波器的发热功率；
根据所述电学版图建立所述滤波器模组的热仿真模型；
根据所述谐振器的发热功率和所述双模声表面波滤波器的发热功率设置所述滤波器模组进行热仿真的边界条件；
根据所述热仿真模型和所述边界条件进行传热仿真，得到所述滤波器模组的热仿真数据；
其中，所述双模声表面波滤波器的发热功率的计算公式如下：
P_diss＝P_in*(1-|S21|^2-|S11|^2)；
P_diss为所述双模声表面波滤波器的发热功率，P_in为所述双模声表面波滤波器在支路中分配到的输入功率，S21和S11分别为所述双模声表面波滤波器在与所述输入信号相同频率下的散射参数。
优选的，根据所述谐振器的发热功率和所述双模声表面波滤波器的发热功率设置所述滤波器模组进行传热仿真的边界条件的具体步骤如下：
将所述谐振器的发热功率和所述双模声表面波滤波器的发热功率分别以热源的形式添加至所述热仿真模型的边界条件中，并使所述谐振器的发热功率所对应的热源以及所述双模声表面波滤波器的发热功率所对应的热源分别与所述热仿真模型的发热区域一一对应。
优选的，所述热仿真模型利用有限元仿真软件COMSOL建立。
优选的，所述热仿真模型使用的材料包括金属铝和衬底钽酸锂。
优选的，根据所述热仿真模型和所述边界条件进行传热仿真时，利用数值分析软件进行。
优选的，所述滤波器模组中包含的所述谐振器和所述双模声表面波滤波器分别为多个。
第二方面，本发明提供了一种滤波器模组的热仿真系统，其包括：
第一建立单元模块，所述第一建立单元模块用于建立包含谐振器和双模声表面波滤波器的滤波器模组的等效电路；
绘制模块，所述绘制模块用于根据所述等效电路绘制所述滤波器模组的电学版图；
获取模块，所述获取模块用于根据所述等效电路确定输入信号的频率和功率；并根据所述输入信号的频率和功率获取所述谐振器的发热功率和所述双模声表面波滤波器的发热功率；
第二建立模块，所述第二建立模块用于根据所述电学版图建立所述滤波器模组的热仿真模型；
设置模块，所述设置模块用于根据所述谐振器的发热功率和所述双模声表面波滤波器的发热功率设置所述滤波器模组进行热仿真的边界条件；
仿真模块，根据所述热仿真模型和所述边界条件进行传热仿真，得到所述滤波器模组的热仿真数据。
第三方面，本发明提供了一种电子设备，其包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述的滤波器模组的热仿真方法中的步骤。
第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的滤波器模组的热仿真方法中的步骤。
与相关技术相比，本发明中的滤波器模组的热仿真方法依次通过建立包含谐振器和双模声表面波滤波器的滤波器模组的等效电路，绘制滤波器模组的电学版图，获取谐振器的发热功率和双模声表面波滤波器的发热功率，建立滤波器模组的热仿真模型，设置所述滤波器模组进行热仿真的边界条件，根据所述热仿真模型和所述边界条件进行传热仿真，以得到所述滤波器模组的热仿真数据，而双模声表面波滤波器的发热功率通过设定的计算公式便可以获取，即解决了滤波器模组包含双模声表面波滤波器时，相关技术无法对滤波器模组进行传热仿真的问题。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1为本发明实施例提供的一种滤波器模组的热仿真方法的步骤流程图；
图2为本发明实施例提供的一种滤波器模组的热仿真方法中等效电路的拓扑结构图；
图3为本发明实施例提供的一种滤波器模组的热仿真方法中的滤波器版图；
图4为本发明实施例提供的一种滤波器模组的热仿真方法中的热仿真模型图；
图5为本发明实施例提供的一种滤波器模组的热仿真方法最终获取的热仿真模型中的温度分布图；
图6为本发明实施例提供的一种滤波器模组的热仿真系统的框架示意图；
图7为本发明实施例提供的一种电子设备的框架示意图。
【具体实施方式】
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
本发明实施例提供了一种滤波器模组的热仿真方法，结合图1所示，其包括以下步骤：
S101、建立包含谐振器和双模声表面波滤波器的滤波器模组的等效电路。
其中，所述等效电路中包含的所述谐振器和所述双模声表面波滤波器分别可以为一个或多个。本实施例以所述谐振器和所述双模声表面波滤波器分别为多个进行举例说明。
S102、根据所述等效电路绘制所述滤波器模组的电学版图。
S103、根据所述等效电路确定输入信号的频率和功率；并根据所述输入信号的频率和功率获取所述谐振器的发热功率和所述双模声表面波滤波器的发热功率。
具体为，基于所述等效电路，在所述输入信号的频率和功率确定时，便可获取所述谐振器的发热功率和所述双模声表面波滤波器的发热功率。本实施例获取的是每个所述谐振器的发热功率和每个所述双模声表面波滤波器的发热功率
所述双模声表面波滤波器的发热功率的计算公式如下：
P_diss＝P_in* (1-|S21 |^2-|S11 |^2 ) (1)；
P_diss为所述双模声表面波滤波器的发热功率，P_in为所述双模声表面波滤波器在支路中分配到的输入功率，S21和S11分别为所述双模声表面波滤波器在与所述输入信号相同频率下的散射参数(S参数)。
其中，所述双模声表面波滤波器的发热功率的计算公式也可以理解为所述双模声表面波滤波器的耗损功率计算公式；所述双模声表面波滤波器在支路中分配到的输入功率，即为所述双模声表面波滤波器在支路中分配到的所述输入信号的功率；所述散热参数是微波传输中的一个重要参数，S11为输入反射参数，S12为反向传输系数，S21为正向传输系数，S21为输出反射参数，而本实施例中所述双模声表面波滤波器的发热功率的计算公式只需要用到S21和S11，即本实施例中的所述双模声表面波滤波器的发热功率只需要通过所述等效电路和散热参数进行计算便可获取。
S104、根据所述电学版图建立所述滤波器模组的热仿真模型。
具体地，所述热仿真模型为三维模型；当然，根据实际需求，所述热仿真模型建立完成后还可以进行适当的简化，以节省后续进行数值的热仿真的计算资源。
本实施例中的所述热仿真模型是利用有限元仿真软件COMSOL建立，当然，根据实际需求，所述热仿真模型还可以通过多种支持压电仿真或热仿真的软件实现建立，同时，还可以通过多种软件组合建立，如HFSS(三维结构电磁场仿真软件)、Icepak(电子产品热分析软件)等软件。
S105、根据所述谐振器的发热功率和所述双模声表面波滤波器的发热功率设置所述滤波器模组进行热仿真的边界条件。
具体地，对根据所述谐振器的发热功率和所述双模声表面波滤波器的发热功率设置所述滤波器模组进行热仿真的边界条件的具体步骤如下：
将所述谐振器的发热功率和所述双模声表面波滤波器的发热功率分别以热源的形式添加至所述热仿真模型的边界条件中，并使所述谐振器的发热功率所对应的热源以及所述双模声表面波滤波器的发热功率所对应的热源分别与所述热仿真模型的发热区域一一对应。
本实施例是将每个所述谐振器的发热功率和每个所述双模声表面波滤波器的发热功率分别以热源的形式添加至所述热仿真模型的边界条件中，并使每个所述谐振器的发热功率所对应的热源以及每个所述双模声表面波滤波器的发热功率所对应的热源分别与所述热仿真模型的发热区域一一对应。
S106、根据所述热仿真模型和所述边界条件进行传热仿真，得到所述滤波器模组的热仿真数据。
本实施例中，根据所述热仿真模型和所述边界条件进行传热仿真时，利用数值分析软件进行；得到所述滤波器模组的热仿真数据，即为所述滤波器模组的温度分布情况。
与相关技术相比，本发明中的滤波器模组的热仿真方法依次通过建立包含谐振器和双模声表面波滤波器的滤波器模组的等效电路，绘制滤波器模组的电学版图，获取谐振器的发热功率和双模声表面波滤波器的发热功率，建立滤波器模组的热仿真模型，设置所述滤波器模组进行热仿真的边界条件，根据所述热仿真模型和所述边界条件进行传热仿真，以得到所述滤波器模组的热仿真数据，而双模声表面波滤波器的发热功率通过设定的计算公式便可以获取，即解决了滤波器模组包含双模声表面波滤波器时，相关技术无法对滤波器模组进行传热仿真的问题。
实施例二
为了更好的体现实施例一中滤波器模组的热仿真方法，以下通过滤波器模组包含第一谐振器P1、第二谐振器P2、第一双模声表面波滤波器DMS1和第二双模声表面波滤波器DMS2进行举例说明。
其中，所述第一双模声表面波滤波器DMS1和所述第二双模声表面波滤波器DMS2串联设置，所述第一谐振器P1并联至所述第一双模声表面波滤波器DMS1的输入端，所述第二谐振器P2并联至所述第二双模声表面波滤波器DMS2的输出端。
本实施例提供了一种滤波器模组的热仿真方法，其包括以下步骤：
第一步：建立包含所述第一谐振器P1、所述第二谐振器P2、所述第一双模声表面波滤波器DMS1和所述第二双模声表面波滤波器DMS2的滤波器模组的等效电路。
其中，所述等效电路的拓扑结构如图2所示；所述第一双模声表面波滤波器DMS1和所述第二双模声表面波滤波器DMS2的电学性能由通用的S2P格式文件进行表征，该文件通常来自于设计部门，所述第一谐振器P1和所述第二谐振器P2由常见的BVD电学等效模型进行表征；端口1为信号输入端，端口2为信号输出端，端口3和端口4为接地端，该拓扑结构的滤波器模组可以通过ADS(Advanced Design System，射频仿真软件)实现电学仿真。当然，根据实际需求，该拓扑结构的滤波器模组还可以通过其它软件实现电学仿真，如AWR(射频/微波设计软件)。
第二步：根据所述等效电路绘制所述滤波器模组的电子版图。
其中，所述滤波器版图如图3所示。
第三步：基于所述等效电路，在输入信号的频率和功率确定时，获取所述第一谐振器P1和所述第二谐振器P2的发热功率以及所述第一双模声表面波滤波器DMS1和所述第二双模声表面波滤波器DMS2分别在支路中分配到的输入功率，由于所述第一双模声表面波滤波器DMS1和所述第二双模声表面波滤波器DMS2的发热功率无法直接获取，因此需要利用耗损功率计算公式获取，即利用实施例一中的公式(1)获取。
本实施例中，所述输入信号的频率为769MHz，功率为0.3W；所述第一双模声表面波滤波器DMS1和所述第二双模声表面波滤波器DMS2的输入功率分别为0.5474W和0.4474W，所述第一双模声表面波滤波器DMS1和所述第二双模声表面波滤波器DMS2的S2P文件相同，因此S_21＝-0.8843-0.1574i，S_11＝-0.1718-0.0280i。经计算得出，所述输入信号的频率为769Hz，功率为0.3W，所述第一双模声表面波滤波器DMS1、所述第二双模声表面波滤波器DMS2、所述第一谐振器P1及所述第二谐振器P2上的发热功率分别为0.0805W、0.0669W、0.0007W、0.0005W。
第四步：利用有限元仿真软件COMSOL建立所述滤波器模组的热仿真模型(三维模型)，如图4所示，所述热仿真模型使用的材料包括金属铝以及衬底钽酸锂，其中，金属铝为图4中的A区域，衬底钽酸锂为图4中的B区域。
第五步：将所述第一谐振器P1和所述第二谐振器P2的发热功率以及所述第一双模声表面波滤波器DMS1和所述第二双模声表面波滤波器DMS2的发热功率分别以热源的形式添加到所述热仿真模型的边界条件中，并使所述第一谐振器P1和所述第二谐振器P2的发热功率以及所述第一双模声表面波滤波器DMS1和所述第二双模声表面波滤波器DMS2的发热功率所对应的热源分别与所述热仿真模型的发热区域一一对应，即设置所述滤波器模组进行热传真的边条件。
其中，所述热仿真模型的发热区域为图4中的C区域，所述第一谐振器P1和所述第二谐振器P2的发热功率以及所述第一双模声表面波滤波器DMS1和所述第二双模声表面波滤波器DMS2的发热功率所对应的热源为图4中的D区域。
第六步：利用上述有限元仿真软件根据所述热仿真模型和所述边界条件进行热传真，最终获取所述滤波器模组的热仿真数据，即所述滤波器模组的温度分布情况，如图5所示，本实施例中，所述输入信号的频率为769Hz，功率为0.3W，所述滤波器上的最高温度出现在所述第一双模声表面波滤波器DMS1上，约为61.84℃。
实施例三
本实施例提供了一种滤波器模组的热仿真系统200，结合图6所示，其包括：
第一建立单元模块201，所述第一建立单元模块201用于建立包含谐振器和双模声表面波滤波器的滤波器模组的等效电路。
绘制模块202，所述绘制模块202用于根据所述等效电路绘制所述滤波器模组的电学版图。
获取模块203，所述获取模块203用于根据所述等效电路确定输入信号的频率和功率；并根据所述输入信号的频率和功率获取所述谐振器的发热功率和所述双模声表面波滤波器的发热功率。
第二建立模块204，所述第二建立模块204用于根据所述电学版图建立所述滤波器模组的热仿真模型。
设置模块205，所述设置模块205用于根据所述谐振器的发热功率和所述双模声表面波滤波器的发热功率设置所述滤波器模组进行热仿真的边界条件；
仿真模块206，所述仿真模块206用于根据所述热仿真模型和所述边界条件进行传热仿真，得到所述滤波器模组的热仿真数据。
由于本实施例中的滤波器模组的热仿真系统200中各个模块分别用于实现上述实施例一中的各个步骤，因此其也能达到上述实施例一中滤波器模组的热仿真方法所达到的技术效果，在此不作赘述。
实施例四
本实施例提供了一种电子设备300，结合图7所示，其包括存储器301、处理器302以及存储在所述存储器301上并可在所述处理器302上运行的计算机程序，所述处理器302执行所述计算机程序时实现上述实施例一中的滤波器模组的热仿真方法中的步骤。
由于本实施例中电子设备300的处理器3032执行计算机程序时实现上述实施例一中的滤波器模组的热仿真方法中的步骤，因此其也能达到上述实施例一中滤波器模组的热仿真方法所达到的技术效果，在此不作赘述。
实施例五
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述实施例一中的滤波器模组的热仿真方法中的步骤。
由于本实施例中的计算机可读存储介质存储的计算机程序被处理器执行时实现上述实施例一中的滤波器模组的热仿真方法中的步骤，因此其也能达到上述实施例一中滤波器模组的热仿真方法所达到的技术效果，在此不作赘述。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种滤波器模组的热仿真方法，其特征在于，所述滤波器模组的热仿真方法包括以下步骤：
建立包含谐振器和双模声表面波滤波器的滤波器模组的等效电路；
根据所述等效电路绘制所述滤波器模组的电学版图；
根据所述等效电路确定输入信号的频率和功率；并根据所述输入信号的频率和功率获取所述谐振器的发热功率和所述双模声表面波滤波器的发热功率；
根据所述电学版图建立所述滤波器模组的热仿真模型；
根据所述谐振器的发热功率和所述双模声表面波滤波器的发热功率设置所述滤波器模组进行热仿真的边界条件；
根据所述热仿真模型和所述边界条件进行传热仿真，得到所述滤波器模组的热仿真数据；
其中，所述双模声表面波滤波器的发热功率的计算公式如下：
P_diss＝P_in*(1-|S21|^2-|S11|^2)；
P_diss为所述双模声表面波滤波器的发热功率，P_in为所述双模声表面波滤波器在支路中分配到的输入功率，S21和S11分别为所述双模声表面波滤波器在与所述输入信号相同频率下的散射参数。
2.如权利要求1所述的滤波器模组的热仿真方法，其特征在于，根据所述谐振器的发热功率和所述双模声表面波滤波器的发热功率设置所述滤波器模组进行传热仿真的边界条件的具体步骤如下：
将所述谐振器的发热功率和所述双模声表面波滤波器的发热功率分别以热源的形式添加至所述热仿真模型的边界条件中，并使所述谐振器的发热功率所对应的热源以及所述双模声表面波滤波器的发热功率所对应的热源分别与所述热仿真模型的发热区域一一对应。
3.如权利要求1所述的滤波器模组的热仿真方法，其特征在于，所述热仿真模型利用有限元仿真软件COMSOL建立。
4.如权利要求3所述的滤波器模组的热仿真方法，其特征在于，所述热仿真模型使用的材料包括金属铝和衬底钽酸锂。
5.如权利要求1所述的滤波器模组的热仿真方法，其特征在于，根据所述热仿真模型和所述边界条件进行传热仿真时，利用数值分析软件进行。
6.如权利要求1所述的滤波器模组的热仿真方法，其特征在于，所述滤波器模组中包含的所述谐振器和所述双模声表面波滤波器分别为多个。
7.一种滤波器模组的热仿真系统，其特征在于，所述滤波器模组的热仿真系统包括：
第一建立单元模块，所述第一建立单元模块用于建立包含谐振器和双模声表面波滤波器的滤波器模组的等效电路；
绘制模块，所述绘制模块用于根据所述等效电路绘制所述滤波器模组的电学版图；
获取模块，所述获取模块用于根据所述等效电路确定输入信号的频率和功率；并根据所述输入信号的频率和功率获取所述谐振器的发热功率和所述双模声表面波滤波器的发热功率；
第二建立模块，所述第二建立模块用于根据所述电学版图建立所述滤波器模组的热仿真模型；
设置模块，所述设置模块用于根据所述谐振器的发热功率和所述双模声表面波滤波器的发热功率设置所述滤波器模组进行热仿真的边界条件；
仿真模块，根据所述热仿真模型和所述边界条件进行传热仿真，得到所述滤波器模组的热仿真数据。
8.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6任意一项所述的滤波器模组的热仿真方法中的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任意一项所述的滤波器模组的热仿真方法中的步骤。
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