MEMS Switch-Based Differential Delay Shifter for a Beam Steering Antenna

Menlo Micro, Irvine, Calif.

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由多个辐射单元组成的天线阵列广泛用于国防和商业领域。天线阵列的各个单元通常被馈送不同相位的信号以形成期望的辐射图，通常是一个波束或多个波束。可以通过控制馈入每个单元的信号的相位来控制波束的方向，并且优化信号的振幅以尽可能减少旁瓣辐射。

蜂窝基站广泛使用移相器来调整天线的“下倾角”，称为远程电调倾角（RET），用于增加覆盖范围并减少干扰。这样可以提高性能，例如增加容量、覆盖范围和信号强度。复杂的大规模MIMO（mMIMO）是波束导向的一种高级形式，其缺点是每个天线单元都需要单独的无线电。然而，与mMIMO相比，使用更少的发射器并用可调移相器向天线单元馈电既可以大大降低成本，也可以显著提升性能。用于4G和5G网络的民用宽带无线电服务（CBRS）频谱的部署将需要更复杂的先进波束导向多阵列天线，以为蜂窝网络、企业和工业物联网提供所需的服务质量和高数据速率业务。由于这些业务对成本非常敏感，因此，由单个发射器馈送信号的自适应波束赋形器非常有价值。

本文介绍了使用MEMS开关的3.6 GHz CBRS频段的波束导向天线。该天线支持高功率，使用正在申请专利的差分延迟移相器（DDS）中的延迟线调节相位。尽管天线波束赋形器的通用术语是“移相器”，但所需的网络实际上是“延迟移相器”，以在较宽的频率范围内保持所需的波束方向。将SP4T MEMS开关和延迟线与标准表面贴装相结合，实现了高度紧凑的外形。这种新颖的方法创造出了一种全电子的小型延迟移相器，可以代替基站天线中通常用于RET的笨重的传统机械移相器和马达。这种全电子器件可以实现天线的水平和垂直波束导向，与机械器件相比，开关速度和可靠性显著提高。

开关DDS的原理

考虑一个简单的天线阵列（图1）。对于给定的到达角θ，信号传到每个天线单元的额外距离分别为l1、l2、l3和l4。信号传播这些距离的时间与频率无关，只是单元间距、到达角和传播速度的函数。针对给定的到达角，通过调整给各单元的馈电时延，可以使信号在公共馈电处同相。

图1：四单元阵列和入射平面波

虽然可以用移相器代替时延元件，但为了保证波束角与频率的恒定关系，必须根据具体频率调整移相器。这限制了天线的工作带宽；如果工作频率与设计频率相差太远，天线辐射的方向就会发生偏移。如果角度改变θ，并通过围绕天线中心旋转入射平面来引导波束，那么l1的任何变化都等于l4的变化，并与之相反。同样，l2和l3的变化也是相等和相反的。通过用差分延时移相网络给以阵列中心对称的成对单元馈电，就可以满足这些条件。

在现有的蜂窝基站可调下倾天线中，这种功能通常是通过步进或伺服电机控制的机构来实现的（图2a）。图2b显示了从这种传统的机电移相器到开关拓扑的演变。使用离散的、量化的步骤进行相位/延迟调整消除了大的机械运动，更多的开关步骤可以更精确和更精细地控制波束方向。在这两种拓扑结构中，单个输入被馈送到两个阻抗匹配适当的天线单元。通过调整相位/延迟，加到一个路径上的任何变化都会从另一个路径上同样减去，从而实现真正的差分相位控制。

图2：传统移相器（a）和开关移相器（b）

图3显示了如何使用两个传输线长度不同的延迟移相器来为图1所示的简单四单元阵列馈电。在这种情况下，延迟移相器DS1的延迟变化是DS2的3倍，因为末端单元被3倍的单元间距分开。虽然该示意图显示了对两个延迟移相器的直接馈电，但可以使用非对称功率分配器来对个别单元进行振幅加权和锥削。

图3：两个差分延迟移相器为一个四单元阵列馈电

3.6GHz DDS的设计

使用Menlo Micro的MM5130高功率SP4T开关开发了3.6 GHz CBRS频段的四步DDS。使用更多的开关可以扩展到8或16步DDS。在这种配置中，对开关的一个关键要求是只采用串联拓扑并且关闭端口具有非常低的寄生电容。这确保了低损耗和宽带性能，因为任何寄生电容的影响都是最小的。

图4显示了用于图3中外侧一对单元的四级延迟移相器的宽带性能。最大差分延迟约为0.16 ns，对应的传播距离d为50 mm。对于一个单元间距s为43 mm或3.6 GHz的λ/2的阵列，波束方向角由以下公式给出：

其中，N是延迟移相器两个输出端之间的单元数。在本例中，N=3，所以波束方向角为21度。图5显示了四单元阵列在±21度时的仿真辐射图。调整单元上的振幅权重使旁瓣电平为-24 dB，这是主波束宽度和旁瓣之间的合理折中。

图4：四步延迟移相器的差分延迟与频率的关系

图5：两个波束方向的仿真辐射图

延迟移相器的设计

在选择阵列的单元数量时，考虑了实际的设计因素，4x2是实现所需波束导向的最小单元数量（图6）。这种阵列配置需要三种类型的延时移相器：一种用于方位角，以便在左、轴向和右之间切换，两种用于仰角。方位角延迟移相器配置了三个波束方向，分别是-30度、0度和+30度。这对于阵列中每行的两个单元所产生的相对较宽的方位角波束来说已经足够了。

图6：馈电网络拓扑

第一个仰角延时移相器控制两个内侧贴片单元之间的延时状态，第二个控制两个外侧贴片单元的延时状态。由于两个外侧贴片单元之间的距离是两个中间单元之间的距离的3倍，所以相应的延时移相器设计为3倍的延时。馈电结构共包含5个延时移相器：一个用于方位角，四个用于仰角。由于选择的开关是SP4T，所以阵列设计在仰角/垂直面使用了四个延迟状态。四个状态并不是一个硬性限制，可以使用更高投掷数的开关或几个开关并联来进行扩展。

使用Keysight ADS设计了三种不同类型的延迟移相器，并使用Keysight EMPro进行了验证和微调。多维三端口S参数文件被导出并用于顶层仿真。图7为Keysight EMPro中外侧一对延迟移相器仿真模型的渲染图。图8显示了被测试的外侧一对延迟移相器。输入端口上的无源组件提供了50Ω的匹配，因此可以级联多个单元，这样就相对直接地将多个延迟移相器串联起来，形成一个馈电网络来同时控制水平方向和垂直方向的辐射图。

图7：延迟移相器的Keysight EMPro 3D模型

图8：差分延迟移相器原型

馈电网络和辐射器设计

天线馈电板按三个独立延时移相器的布局被设计在天线辐射板的背面。每个垂直列的顶部和底部单元都用耦合器馈送，这可为锥削和增强旁瓣抑制提供不等的功率。采用等长传输线为内侧一对单元和外侧一对单元调节相位。为了减少传输线损耗，微带线过渡到共面线进行延时移相器的布局。图9显示了三种类型的延迟移相器的馈电网络、微带线和共面波导的组合以及右下角的USB控制器。

图9：馈电网络与三种类型的延迟移相器

辐射单元被设计成平面贴片（图10）。天线的效率主要由辐射单元和接地平面之间的基板的损耗决定。为了达到较高的效率，选用了厚度为4.75mm的低损耗聚四氟乙烯，其仿真效率为-0.3dB。由于来自馈电网络传输线的接地电流会使天线辐射图失真，因此天线接地平面与馈电板接地平面分开，这样还解决了其他几个机械问题。

图10：接地平面上的4×2单元贴片阵列

阵列中的单元间距是一个重要的设计变量。较大的间距通常会带来较高的主瓣增益，但当天线在大角度下工作时，会增加不希望的旁瓣。旁瓣波束的角度范围也是由阵列的行数和列数决定的。由于本设计只选择了两列，加上方位角范围较大，所以选择了传统的λ/2间距。

为了在辐射图中实现较低的旁瓣，在仰角平面上使用了-20dB泰勒振幅锥削。由于阵列中只有四行，这种锥削适用于顶部和底部的行，而方位角平面上不可能有锥削。为了实现锥削，不是使用功率分配器和衰减器，而是使用两个耦合器来馈送外侧单元，这与传统方法相比，显著提高了天线系统的效率。图11为仿真的天线辐射图，图12为所有12个波束状态（3个方位角、4个仰角）下的仿真系统效率。一个简单的USB接口控制延迟移相器的波束导向。

图11：阵列的三维辐射图，方位角0度，仰角6.5度

图12：仿真天线效率与12种开关状态

天线设计采用一种三维电磁（EM）仿真工具Altair FEKO。采用其中的有限阵工具进行高层设计大大减少了仿真时间和存储量。利用从EMPro中导出的延时移相器的S参数文件，用Keysight Genesys设计了馈电网络。然后将完成的馈电网络导出为九端口S参数文件（一个馈电端口和八个天线端口），用于FEKO中的天线辐射图仿真。

测得的性能

为了进行天线测试，设计了一个3D打印塑料雷达罩，前后都有透明的窗口，可以看到延时移相器的相互连接（图13）。辐射测试证实，波束的方位角和仰角的调整都可以分别在三步和四步之内完成（图14）。在波束方向为+6.7度时，天线系统的整体效率大于40%，增益大于10dBi。当波束被引导到更大的角度时，延迟移相器和天线单元的损耗都略有增加，降低了效率。

图13：暗室中的CBRS天线

图14：测得的CBRS天线辐射图

小结

设计了一种新型的DDS，模仿传统的机械RET移相器，但使用高性能MEMS开关的离散状态来模拟机械移相器的定位。在CBRS天线中采用DDS，能够在10μs内改变波束的方向，这在机械移相器中是不可能的。表1比较了DDS与机械和典型固态移相器的性能。DDS的主要性能优势是功率处理、功耗、IP3和插入损耗。DDS的宽带能力使其能够扩展到毫米波频段，可以支持未来用于5G、航空航天和国防的波束导向天线系统。其他计划中的设计改进包括提高集成度，以实现更简单的表面贴装和减少占板面积。

鸣谢

感谢RF2B顾问Christopher Mobbs、RF2B首席执行官Mats Lindstrom和Menlo Micro高级系统应用工程师Marten Seth对本文的贡献。