基于相控阵天线系统的DMTL移相器设计
出处:维库电子市场网 发布于:2020-07-02 13:59:31
着 5G 发展,相控阵天线被广泛应用于高增益、高效率、多波束的天线系统。在相控阵天线通过移相器可以将辐射波束扫描到不同方向。为了提高相控阵系统的整体性能,尤其是在发射信道中,要求移相器具有低损耗、宽带、低功耗、体积小、功率处理能力强的特点。因此,分布式 MEMS 传输线(DMTL)移相器被认为是满足这些要求的潜在解决方案。
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摘要
在本研究中,我们开发了一个适用于相控阵天线系统的 DMTL 移相器。DMTL 移相器设计为在 2~4GHz 时产生两态相移(0°和 90°)。该移相器有 15 个 MEMS 并联开关,通过在开关状态下改变电容来控制移相。电容的这种变化将改变传输线的阻抗和传输速度,从而提供差分相移。
利用 HFSS 对移相器进行电磁性能仿真,主要优化阻抗匹配、插入损耗和相移三个关键参数。
MEMS 器件仿真设计难点之一是网格尺寸的确定,仿真的取决于网格的大小。在本设计中,用于 DMTL 移相器的 MEMS 电桥的尺寸为 372?m(长)×50?m(宽),如图 1 所示。当 MEMS 桥向传输线的中心导体向下拉时,其电容增大。因此,准确地模拟出移相器在上、下状态时的电容值,对于保证移相器产生准确的相移值是非常重要的。为了实现这一点,在模型的某些区域,特别是在桥梁区域,确保网格划分的精细度是获得准确仿真结果的关键。
对于三维电磁求解器(仿真软件),网格划分是一个非常关键的过程,有时需要用户较深网格知识。利用 HFSS 中提供的自适应网格细化功能,网格大小不必手动确定,自适应网格划分工具将自动设置模型的网格大小,并逐渐细化网格大小,直到达到某个准则,从而保证仿真的和准度。
图 1 MEMS 电桥
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HFSS 仿真思路与流程
MEMS-DMTL 移相器是一种双端口器件,它通过直流偏压驱动安装在传输线上的 MEMS 桥来改变其相位。本研究使用共面波导(CPW)传输线,其中 15 个 MEMS 电桥按照特定距离排列,终将移相器的三维模型导入 HFSS。
首先仿真一个 MEMS 桥组成的移相器单元,并与理论值进行比较。然后仿真总共 15 个单元以实现 90?相移,如图 3 所示。在仿真设置中,将端口设置为波端口,计算移相器的端口阻抗。模型边界设为辐射边界,求解频率设为 3ghz。通过次数增加到 20 次,以确保收敛。频率扫描设置为覆盖从 0.5GHz 到 4GHz 的相关频率范围。
仿真完成后,后处理分析 DMTL 移相器的回波损耗、插入损耗和相移的结果。本采用 ansys hfss 2020 R1 进行仿真。
图 2 DMTL 移相器子单元
图 3 完整移相器模型
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仿真结果与效果分析
MEMS 移相器的主要分析参数是回波损耗、插入损耗和相移值。为了减少端口阻抗失配造成的损耗,在其工作频率上,
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