应用案例：基于Ansys-HFSS的DMTL移相器设计与仿真

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。

   

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

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

     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

    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；

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