基于相控阵天线系统的DMTL移相器设计

　　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，