一种变形分布式MEMS移相器性能的机电耦合预测方法技术

本发明专利技术公开了一种变形分布式MEMS移相器性能的机电耦合预测方法，包括：1)确定分布式MEMS移相器的结构参数、材料属性和电磁工作参数；2)确定分布式MEMS移相器等效电路参数；3)确定工作环境条件；4)对结构进行力学分析，提取结构变形后最大偏移量；5)计算结构变形后的每个MEMS桥与传输线构成的可变电容值；6)建立每个MEMS桥机电耦合模型并计算相移量；7)计算相移量；8)判断移相器的相移量是否满足要求。本发明专利技术建立的分布式MEMS移相器结构参数和相移量之间的机电耦合模型，可直接分析结构参数对移相器相移量的影响，可用于定量评价载荷环境下结构变形对分布式MEMS移相器相移量的影响，从而指导分布式MEMS移相器的设计与优化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微波器件
，具体是一种变形分布式MEMS移相器性能的机电耦 合预测方法。本专利技术建立的分布式MEMS移相器结构参数和相移量之间的机电耦合模型，可 用于直接分析结构参数对移相器相移量的影响，指导分布式MEMS移相器的结构设计与优 化。
技术介绍
随着RF MEMS(Micro_electromechanical Systems)技术的发展，MEMS移相器，因 其小型化、损耗低、成本低、性能好等优势，已广泛应用于各种雷达和卫星导航等领域中。其 中分布式MEMS移相器相对于其他形式的MEMS移相器工艺制造更容易、体积更小、性能更好， 并被誉为"最有吸引力的器件之一"，因此成为国内外学者研究的热点。 分布式MEMS移相器利用"R-L-C"网络实现移相功能。"R-L-C"网络由若干个"R-L-C"（移相)单元按照一定规则组成，每个"R-L-C"单元只能完成有限的移相。而"R-L-C"移相 单元是以机械的物理结构形式出现的。要完成整个移相器移相的功能，需要大量的机械结 构单元，随着机械结构单元数目阶跃性的增长，各种副作用也会随之产生，最主要的问题是 分布式MEMS移相器内部热功耗致使机械结构变形，机械结构单元之间相互产生的寄生效应 以及外界环境致使分布式MEMS移相器结构变形。这些问题是保证和提高分布式MEMS移相器 性能的最大障碍，已经限制了分布式MEMS移相器的发展。为了解决这个问题，人们开始从不 同角度开展研究，寻找优化设计分布式MEMS移相器的方法。MEMS移相器涉及交叉学科，但目 前研究者都是从单一学科角度对分布式MEMS移相器进行研究，主要有两种方法：1.单纯从 机械角度对分布式MEMS移相器进行研究，此研究方法只能对分布式MEMS移相器的结构进行 改进，不能考虑到电参数是否满足要求;2.单纯从电路角度对分布式MEMS移相器进行研究， 此研究方法脱离分布式MEMS移相器的物理结构，只考虑电路参数，会造成工艺制造难度高、 制造成本升高等问题。 因此，有必要对分布式MEMS移相器引入机电耦合的思想，建立结构参数和电参数 的联系，直接分析结构参数对移相器相移量的影响，为MEMS移相器的设计优化提供了全新 的研究方法。
技术实现思路
基于上述问题，本专利技术建立的分布式MEMS移相器结构参数MEMS桥高度和相移量之 间的机电親合模型，可以实现分布式MEMS移相器结构参数和电参数親合分析，可用于直接 分析结构参数对移相器相移量的影响，指导分布式MEMS移相器的结构设计与优化。 实现本专利技术目的的技术解决方案是，一种变形分布式MEMS移相器性能的机电耦合 预测方法，该方法包括下述步骤： (1)确定分布式MEMS移相器的结构参数、材料属性和电磁工作参数； (2)根据分布式MEMS移相器的结构参数和材料属性，确定分布式MEMS移相器的等 效电路参数； (3)确定分布式MEMS移相器的工作环境条件； (4)利用力学分析软件，对分布式MEMS移相器结构进行力学分析，提取每个MEMS桥 结构变形后高度的最大偏移量； (5)根据MEMS桥高度的最大偏移量，计算每个MEMS桥与传输线构成的可变电容值； (6)根据可变电容值，建立每个MEMS桥的机电耦合模型，并计算每个MEMS桥产生的 相移量； ⑴根据每个MEMS桥产生的相移量，计算分布式MEMS移相器的相移量； (8)根据移相器相移量的要求，判断分布式MEMS移相器的相移量是否满足要求，如 果满足要求则移相器结构设计合格;否则，修改结构参数，并重复步骤(2)至步骤(7)，直至 满足要求。 进一步，步骤（1)中，所述确定分布式MEMS移相器的结构参数和电磁工作参数，分 布式MEMS移相器结构参数包括共面波导传输线、MEMS桥和介质层的长度、宽度、厚度，以及 相邻两个桥的间距，MEMS桥距介质层的高度;所述分布式MEMS移相器的材料属性，包括介质 层的相对介电常数;所述分布式MEMS移相器的电磁工作参数，包括分布式MEMS移相器的电 磁工作频率ω。 进一步，所述分布式MEMS移相器的工作环境条件包括静力环境、热环境和振动环 境。 进一步，所述步骤(2)确定分布式MEMS移相器的等效电路参数包括： 计算MEMS桥未加载时，传输线上单位长度的等效电容值Ct公式为：式中，为介质层的相对介电常数，c为光速，Zo为传输线的特性阻抗；计算MEMS桥未加载时，传输线上单位长度的等效电感值Lt公式为： Lt =CtZ^式中，Ct为传输线上单位长度的等效电容值，Zo为传输线的特性阻抗。进一步，所述步骤(4)计算每个MEMS桥结构变形后高度的最大偏移量包括如下步 骤： (4a)给定分布式MEMS移相器的约束条件，根据步骤(3)确定的工作环境条件，利用 力学分析软件，对分布式MEMS移相器结构进行力学分析； (4b)根据结构力学结果，得到每个MEMS桥弯曲变形数值，分别提取每个MEMS桥高 度偏移量的最大值Ah。进一步，所述步骤(5)计算每个MEMS桥与传输线构成的可变电容值包括如下步骤： 5a)未变形MEMS桥与传输线构成的"up"工作状态下的可变电容值Cu可用下式计 算： 式中，Wc是中心导体宽度，Wb是MEMS桥宽度，h是MEMS桥距介质层的高度，td是介质 层厚度，是空气的相对介电常数，^是介质层的相对介电常数； (5b)变形后MEMS桥与传输线构成的"up"工作状态下的可变电容值Cu'，根据并联 电容求解原理，使用离散电容近似连续电容； (5c)对步骤(5b)中的Ci进行就求解，Ci的表达式如下：式中，Ai为每个离散电容中心导体的长度，B为每个离散电容MEMS桥的宽度，hi为每 个离散电容的高度，td为介质层厚度，为空气的相对介电常数，^为介质层的相对介电常 数。故上式中只有AdPh1为变量，其它参数都是常数，故公式简化为： Ci = f(Ai,hi)； (5d)求解步骤(5c)中的Ai，由于Ai是每个离散电容中心导体的长度，将中心导体w。 换分2n份，η是离散电容的个数，故Ai的表达式为： Ai=wc/2n； (5e)求解步骤(5c)中的hi，利用步骤(4b)中提取的每个MEMS桥最大相移量△ h，计 算离散电容的高度： 其中，Wc为中心导体宽度，Ah为MEMS桥高度偏移量的最大值，L为MEMS桥长度，η为 离散电容的个数； (5f)利用步骤(5d)和步骤(5e)所求的Ai和hi，以及MEMS桥的宽度W b，可得Ci的表达 式如下： (5g)利用步骤(5f)和步骤(5b)，可求得MEMS桥变形后"up"工作状态下的可变电容 公式： (5h)MEMS桥与传输线构成的"down"共作状态下的可变电容值Cd的计算公式为： 进一步，所述步骤(6)建立每个MEMS桥的机电耦合模型包括如下步骤： (6a)每个MEMS桥产生的相移量可用下式计算：式中，S为相邻MEMS桥间距值、ω为工作频率、Ct为传输线上单位长度的等效电容 值、Lt为传输线上单位长度的等效电感值、Cd为"down"工作状态下可变电容值、C u为"up"工 作状态下可变电容值； (6b)利用步骤(5g)中"up"工作状态下的可变电容值Cu'，步骤(5h)中"down"共作 状态下的可变电容值Cd，得本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种变形分布式MEMS移相器性能的机电耦合预测方法，其特征在于，包括下述步骤：(1)确定分布式MEMS移相器的结构参数、材料属性和电磁工作参数；(2)根据分布式MEMS移相器的结构参数和材料属性，确定分布式MEMS移相器的等效电路参数；(3)确定分布式MEMS移相器的工作环境条件；(4)利用力学分析软件，对分布式MEMS移相器结构进行力学分析，分别提取每个MEMS桥高度偏移量的最大值；(5)由MEMS桥高度的最大偏移量，计算每个MEMS桥与传输线构成的可变电容值；(6)根据可变电容值，建立每个MEMS桥的机电耦合模型，并计算每个MEMS桥产生的相移量；(7)由每个MEMS桥产生的相移量，计算分布式MEMS移相器的相移量；(8)根据移相器相移量的要求，判断分布式MEMS移相器的相移量是否满足要求，如果满足要求则移相器结构设计合格；否则，修改结构参数，并重复步骤(2)至步骤(7)，直至满足要求。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王从思，殷蕾，王艳，李娜，周金柱，李鹏，保宏，康明魁，张逸群，黄进，唐宝富，钟剑锋，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61