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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。

基于相控陣天線系統的DMTL移相器設計
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。
 
 基于相控陣天線系統的DMTL移相器設計
圖 2  DMTL 移相器子單元
 
 基于相控陣天線系統的DMTL移相器設計
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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