由于高速通信是無線系統發展的必然趨勢，因此，對更高的數據速率、更高的頻率、更大的頻譜和更寬的頻寬的需求都增加了。當處理寬帶時，可能需要在無線通信系統中部署多個設備，以濾除多余的噪聲和干擾信號，提高信噪比，并提高靈敏度。而單個可調諧濾波器便可替代這些設備，從而減少系統的空間大小和重量，并降低多個組件的制造成本。

基于壓電片的可調諧振腔濾波器的建模

可調諧器件可以用變容器、移相器或開關實現，通過這些器件可以調節信號的電抗、相位或路徑，并且可以改變器件的頻率響應。我們設計了一種可調帶通濾波器模型，該模型采用壓電片來控制器件的電抗，使濾波器的諧振頻率發生變化。

濾波器的設計基于一種矩形諧振腔濾波器，其諧振頻率由下式給出：

其中a和b表示波導孔徑尺寸，d表示波導腔長度。

諧振腔的寬度、高度和長度分別為a=100mm、b=50mm以及d=50mm，產生的TE101主模諧振頻率為3.354GHz。

在諧振腔內部，放置一個金屬柱，金屬柱的頂面和諧振腔頂部形成一個間隙，由此柱子的高度便略小于b。當諧振腔在主模下產生諧振，能量則會被限制在諧振腔中部，而金屬頂部間隙柱的響應則變為容性響應。間隙形成的額外電容可在相同結構尺寸下降低諧振頻率，從而有效地減小了器件尺寸。

采用集總端口模擬的50-Ω短接微帶線通過諧振腔頂部的縫隙耦合到諧振腔中。通過調整縫隙的尺寸和位置，可以改善輸入匹配（S11）和插入損耗（S21）。諧振腔諧振腔頂部的圓孔放置圓形壓電片，圓形壓電片的底表面涂覆一層導電性能非常好的薄層材料，該材料由于導電性能非常好因此具有非常小的趨膚深度。

左圖：帶有圓盤狀壓電片的諧振腔濾波器。采用縫隙耦合微帶線構成饋電方案。右圖：壓電片和金屬柱之間的間隙大小控制諧振頻率。

濾波器的所有金屬部件，如腔壁、柱、基底接地面、微帶線和壓電片底面，均設置為理想的電導體（PECs）。壓電片采用的是鋯鈦酸鉛（PZT-5H）。壓電片是z方向極化的，所以其主要變形方向也是z方向。

當正直流偏置作用于壓電片時，壓電片將向諧振腔底部偏轉。這種偏轉使電容變強，并且使諧振頻率比沒有任何變形的情況下都更低。下面的動畫描繪了諧振頻率下的電場模。在諧振腔的中部，以及在柱頂部和壓電片底部之間的縫隙中，可以觀察到強大的電場。

基于多物理場仿真精確分析射頻濾波器

這種類型器件的傳統分析方法是利用金屬支柱幾何高度的參數掃描（而非使壓電片拋物線式翹曲），進而觀察濾波器的電容變化。但在實際工作中，金屬支柱是固定的，并且壓電片的實際變形在幾何上呈不均勻性。為此，參數掃描不能精確模擬電容變化；因此，測定的諧振頻率是不準確的。

為描述真實世界的現象，必須采用多物理場方法，并結合高頻電磁場和壓電結構分析，以此對壓電片的彈性變形和由此產生的電容變化進行建模。在COMSOL Multiphysics? 軟件中使用這種方法是無縫且直觀的，因為它為您提供的是一個統一仿真平臺。

在統一仿真平臺上進行多物理場仿真和移動網格設置，以此對壓電片的變形進行建模。

壓電片的變形是通過幾個物理場接口的組合得以解決，這些接口包括固體力學（solid），靜電學（es）和移動網格（ale）。當壓電片因正負直流偏置而發生變形時，移動網格接口用于將變形之后的網格作用于電磁波、頻域接口，該接口用于模擬微帶線和諧振腔內部的電磁波傳播和諧振。

當壓電片的電勢為+300V時，可觀察到變形值為~90 μm，這使得縫隙變小，縫隙中的電容增大。因此，諧振頻率的漂移低于在零偏壓和負偏壓下的漂移。

可調諧振腔濾波器的S參數。該模式采用直流偏置±300 V。

S參數曲線顯示了壓電片的偏轉對濾波器諧振頻率的影響。本例的可調諧頻率范圍約為40兆赫。這個范圍可以通過選擇不同的壓電盤大小和輸入偏置電壓來調節。

關于仿真真實世界設備的總結思考

RF模塊是COMSOL Multiphysics 的一款附加產品，它可以助您設計、構建并優化射頻、微波、毫米波和無源THz設備。您可以對傳統設備進行建模，并擴展模型，以此涵蓋其他在實驗室中不易測得的物理現象，例如對材料性能的熱效應以及結構變形。可通過使用相同的仿真環境和工作流程，進而有效地仿真您想要涵蓋的所有物理場。

來源：COMSOL