【導(dǎo)讀】隨著 5G 發(fā)展，相控陣天線被廣泛應(yīng)用于高增益、高效率、多波束的天線系統(tǒng)。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(tǒng)的整體性能，尤其是在發(fā)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(qiáng)的特點(diǎn)。因此，分布式 MEMS 傳輸線（DMTL）移相器被認(rèn)為是滿足這些要求的潛在解決方案。
隨著 5G 發(fā)展，相控陣天線被廣泛應(yīng)用于高增益、高效率、多波束的天線系統(tǒng)。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(tǒng)的整體性能，尤其是在發(fā)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(qiáng)的特點(diǎn)。因此，分布式 MEMS 傳輸線（DMTL）移相器被認(rèn)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(fā)了一個適用于相控陣天線系統(tǒng)的 DMTL 移相器。DMTL 移相器設(shè)計(jì)為在 2～4GHz 時(shí)產(chǎn)生兩態(tài)相移（0°和 90°）。該移相器有 15 個 MEMS 并聯(lián)開關(guān)，通過在開關(guān)狀態(tài)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(jìn)行電磁性能仿真，主要優(yōu)化阻抗匹配、插入損耗和相移三個關(guān)鍵參數(shù)。
MEMS 器件仿真設(shè)計(jì)難點(diǎn)之一是網(wǎng)格尺寸的確定，仿真的精度取決于網(wǎng)格的大小。在本設(shè)計(jì)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(dāng) MEMS 橋向傳輸線的中心導(dǎo)體向下拉時(shí)，其電容增大。因此，準(zhǔn)確地模擬出移相器在上、下狀態(tài)時(shí)的電容值，對于保證移相器產(chǎn)生準(zhǔn)確的相移值是非常重要的。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，在模型的某些區(qū)域，特別是在橋梁區(qū)域，確保網(wǎng)格劃分的精細(xì)度是獲得準(zhǔn)確仿真結(jié)果的關(guān)鍵。
對于三維電磁求解器（仿真軟件），網(wǎng)格劃分是一個非常關(guān)鍵的過程，有時(shí)需要用戶較深網(wǎng)格知識。利用 HFSS 中提供的自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化功能，網(wǎng)格大小不必手動確定，自適應(yīng)網(wǎng)格劃分工具將自動設(shè)置模型的網(wǎng)格大小，并逐漸細(xì)化網(wǎng)格大小，直到達(dá)到某個準(zhǔn)則，從而保證仿真的精度和準(zhǔn)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(qū)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(dǎo)（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(dǎo)入 HFSS。
首先仿真一個 MEMS 橋組成的移相器單元，并與理論值進(jìn)行比較。然后仿真總共 15 個單元以實(shí)現(xiàn) 90º相移，如圖 3 所示。在仿真設(shè)置中，將端口設(shè)置為波端口，計(jì)算移相器的端口阻抗。模型邊界設(shè)為輻射邊界，求解頻率設(shè)為 3ghz。最大通過次數(shù)增加到 20 次，以確保收斂。頻率掃描設(shè)置為覆蓋從 0.5GHz 到 4GHz 的相關(guān)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(jié)果。本案例采用 ansys hfss 2020 R1 進(jìn)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(jié)果與效果分析
MEMS 移相器的主要分析參數(shù)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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