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基于相控陣天線系統的DMTL移相器設計

發布時間：2020-07-06 責任編輯：lina

【導讀】隨著 5G 發展，相控陣天線被廣泛應用于高增益、高效率、多波束的天線系統。在相控陣天線通過移相器可以將輻射波束掃描到不同方向。為了提高相控陣系統的整體性能，尤其是在發射信道中，要求移相器具有低損耗、寬帶、低功耗、體積小、功率處理能力強的特點。因此，分布式 MEMS 傳輸線（DMTL）移相器被認為是滿足這些要求的潛在解決方案。

隨著 5G 發展，相控陣天線被廣泛應用于高增益、高效率、多波束的天線系統。在相控陣天線通過移相器可以將輻射波束掃描到不同方向。為了提高相控陣系統的整體性能，尤其是在發射信道中，要求移相器具有低損耗、寬帶、低功耗、體積小、功率處理能力強的特點。因此，分布式 MEMS 傳輸線（DMTL）移相器被認為是滿足這些要求的潛在解決方案。

01. PART

摘要

在本研究中，我們開發了一個適用于相控陣天線系統的 DMTL 移相器。DMTL 移相器設計為在 2～4GHz 時產生兩態相移（0°和 90°）。該移相器有 15 個 MEMS 并聯開關，通過在開關狀態下改變電容來控制移相。電容的這種變化將改變傳輸線的阻抗和傳輸速度，從而提供差分相移。

利用 HFSS 對移相器進行電磁性能仿真，主要優化阻抗匹配、插入損耗和相移三個關鍵參數。

MEMS 器件仿真設計難點之一是網格尺寸的確定，仿真的精度取決于網格的大小。在本設計中，用于 DMTL 移相器的 MEMS 電橋的尺寸為 372µm（長）×50µm（寬），如圖 1 所示。當 MEMS 橋向傳輸線的中心導體向下拉時，其電容增大。因此，準確地模擬出移相器在上、下狀態時的電容值，對于保證移相器產生準確的相移值是非常重要的。為了實現這一點，在模型的某些區域，特別是在橋梁區域，確保網格劃分的精細度是獲得準確仿真結果的關鍵。

對于三維電磁求解器（仿真軟件），網格劃分是一個非常關鍵的過程，有時需要用戶較深網格知識。利用 HFSS 中提供的自適應網格細化功能，網格大小不必手動確定，自適應網格劃分工具將自動設置模型的網格大小，并逐漸細化網格大小，直到達到某個準則，從而保證仿真的精度和準度。

圖 1 MEMS 電橋

02. PART

HFSS 仿真思路與流程

MEMS-DMTL 移相器是一種雙端口器件，它通過直流偏壓驅動安裝在傳輸線上的 MEMS 橋來改變其相位。本研究使用共面波導（CPW）傳輸線，其中 15 個 MEMS 電橋按照特定距離排列，最終將移相器的三維模型導入 HFSS。

首先仿真一個 MEMS 橋組成的移相器單元，并與理論值進行比較。然后仿真總共 15 個單元以實現 90º相移，如圖 3 所示。在仿真設置中，將端口設置為波端口，計算移相器的端口阻抗。模型邊界設為輻射邊界，求解頻率設為 3ghz。最大通過次數增加到 20 次，以確保收斂。頻率掃描設置為覆蓋從 0.5GHz 到 4GHz 的相關頻率范圍。

仿真完成后，后處理分析 DMTL 移相器的回波損耗、插入損耗和相移的結果。本案例采用 ansys hfss 2020 R1 進行仿真。