Ansys-HFSS在DMTL移相器设计与仿真中的应用

随着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,仿真的精度取决于网格的大小。在本设计中,用于DMTL移相器的MEMS电桥的尺寸为372µm(长)×50µm(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,从而保证仿真的精度和准度。

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,最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90º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。最大通过次数增加到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。本案例采用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,𝑆11值必须小于-10dB。图4显示了15个单元单元的移相器的𝑆11值,用于上状态和下状态位置,结果表明,𝑆11值远低于-10dB,说明移相器满足设计要求。

如图5所示,对于0º和90º相移,移相器在2.45GHz下的插入损耗为-0.8643 dB和-0.6756 dB。如图6所示,当所有MEMS电桥都处于下降状态时,相位增加90º。

图4 回波损耗



图5 移相0°和90°插损



图6   0°和90°移相


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投入资源与时间


PC配置:16 核心,使用HPC加速;

内存:64GHz;

网格数:427907;

仿真耗时:56 min 5s;



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结论

本研究中,利用Ansys-HFSS对DMTL移相器进行了设计与仿真。将移相器的三维CAD模型导入HFSS中,对器件的电磁性能进行评估。仿真采用HFSS强大的自适应网格技术和高性能加速(HPC),保证了计算结果准确性和仿真效率。

DMTL移相器在2.45GHz时最大相移92.42°,进一步扩展研究:改变单元数目及单元的排列方式提供更丰富的相移值。利用HFSS中提供的HPC和自适应网格细化技术,可以加快仿真过程并给出准确的结果。


MEMS

Micro-Electro-Mechanical System

微机电系统



DMTL

Distributed MEMS Transmission Line

分布式

MEMS

传输线



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