基於相控陣天線係統的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於高增益、高效率、duoboshudetianxianxitong。zaixiangkongzhentianxiantongguoyixiangqikeyijiangfusheboshusaomiaodaobutongfangxiang。weiletigaoxiangkongzhenxitongdezhengtixingneng,youqishizaifashexindaozhong,yaoqiuyixiangqijuyoudisunhao、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於高增益、高效率、duoboshudetianxianxitong。zaixiangkongzhentianxiantongguoyixiangqikeyijiangfusheboshusaomiaodaobutongfangxiang。weiletigaoxiangkongzhenxitongdezhengtixingneng,youqishizaifashexindaozhong,yaoqiuyixiangqijuyoudisunhao、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於相控陣天線係統的 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 並聯開關,通過在開關狀態下改變電容來控製移相。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,仿真的精度取決於網格的大小。在本設計中,用於 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(xia)狀(zhuang)態(tai)時(shi)的(de)電(dian)容(rong)值(zhi),對(dui)於(yu)保(bao)證(zheng)移(yi)相(xiang)器(qi)產(chan)生(sheng)準(zhun)確(que)的(de)相(xiang)移(yi)值(zhi)是(shi)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)的(de)。為(wei)了(le)實(shi)現(xian)這(zhe)一(yi)點(dian),在(zai)模(mo)型(xing)的(de)某(mou)些(xie)區(qu)域(yu),特(te)別(bie)是(shi)在(zai)橋(qiao)梁(liang)區(qu)域(yu),確(que)保(bao)網(wang)格(ge)劃(hua)分(fen)的(de)精(jing)細(xi)度(du)是(shi)獲(huo)得(de)準(zhun)確(que)仿(fang)真(zhen)結(jie)果(guo)的(de)關(guan)鍵(jian)。
對於三維電磁求解器(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(zhong)提(ti)供(gong)的(de)自(zi)適(shi)應(ying)網(wang)格(ge)細(xi)化(hua)功(gong)能(neng),網(wang)格(ge)大(da)小(xiao)不(bu)必(bi)手(shou)動(dong)確(que)定(ding),自(zi)適(shi)應(ying)網(wang)格(ge)劃(hua)分(fen)工(gong)具(ju)將(jiang)自(zi)動(dong)設(she)置(zhi)模(mo)型(xing)的(de)網(wang)格(ge)大(da)小(xiao),並(bing)逐(zhu)漸(jian)細(xi)化(hua)網(wang)格(ge)大(da)小(xiao),直(zhi)到(dao)達(da)到(dao)某(mou)個(ge)準(zhun)則(ze),從(cong)而(er)保(bao)證(zheng)仿(fang)真(zhen)的(de)精(jing)度(du)和(he)準(zhun)度(du)。

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。本研究使用共麵波導(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,並與理論值進行比較。然後仿真總共 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 的相關頻率範圍。
仿真完成後,後處理分析 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。

圖 2 DMTL 移相器子單元

圖 3 完整移相器模型
03. PART
仿真結果與效果分析
MEMS 移相器的主要分析參數是回波損耗、插入損耗和相移值。為了減少端口阻抗失配造成的損耗,在其工作頻率上。
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