基于相移量机电耦合的分布式MEMS移相器工作电压的调整方法技术

本发明专利技术公开了一种基于相移量机电耦合的分布式MEMS移相器工作电压的调整方法，包括确定分布式MEMS移相器的结构参数、材料属性和电磁工作参数；确定工作电压标准值V0和相移量标准值Δφ0；施加2V0的工作电压，测量M个MEMS桥中相移量Δφi；比较相移量测量值Δφi与标准值Δφ0；当相移量测量值Δφi>标准值Δφ0，得MEMS桥有向上的高度误差，计算等效电路参数和工作电压调整量；当相移量测量值Δφi≤标准值Δφ0，得MEMS桥向下高度误差或无误差，计算等效电路参数和高度误差值，计算工作电压的调整量；判断是否已对全部计算工作电压调整量；重新施加到相应的MEMS桥上，测量分布式MEMS移相器的整体相移量；判断调整工作电压后的分布式MEMS移相器电性能是否满足指标要求。本方法为实际工作的可靠性提供了理论指导。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微波器件
，具体是一种基于相移量机电耦合的分布式MEMS移相器工作电压的调整方法。本专利技术涉及分布式MEMS移相器工作电压的调整方法，可用于指导工作过程中分布式MEMS移相器工作电压的调整量，保证相移量满足性能要求。
技术介绍
随着RFMEMS(Micro-electromechanicalSystems)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。因此，在日益严峻的军事需求下，发展具有高性能、高抗干扰性能的分布式MEMS移相器就凸显的尤为重要。分布式MEMS移相器是电磁、精密机械结构等多学科相结合的系统，其电性能不仅取决于电磁学科的设计水平，同时也取决于机械结构的设计水平。机械结构不仅是电性能的载体和保障，并且往往制约着电性能的实现，同时，电性能的实现对机械结构也提出了更高的要求。分布式MEMS移相器是多个MEMS桥重复排列组成的结构，由于机械加工设备精度、安装精度的限制，以及工作过程中受到振动、热功耗等外载荷的影响，致使MEMS桥高度发生改变，从而使得移相器的相移量产生偏差，性能降低。因此，为了降低MEMS桥高度误差对相移量的影响，确保分布式MEMS移相器能够正常工作，必须对控制MEMS桥高度的工作电压进行调整。因此，有必要利用分布式MEMS移相器MEMS桥结构参数和相移量之间的机电耦合模型，根据测量的相移量反推计算出MEMS桥高度的误差，利用控制电压和MEMS桥高度关系式，快速给出工作电压调整量，保证分布式MEMS移相器受外界环境影响下仍能正常工作。
技术实现思路
基于上述问题，为了保证分布式MEMS移相器在实际工作环境中相移量的性能，本专利技术利用分布式MEMS移相器结构参数MEMS桥高度和相移量之间的机电耦合模型，可以实现分布式MEMS移相器结构参数和电参数耦合分析，有效地解决了分布式MEMS移相器工作过程中无法确定MEMS桥高度的问题，结合工作电压对MEMS桥的控制关系式，直接得到工作电压调整量，为分布式MEMS移相器实际工作中的可靠性提供了理论指导。实现本专利技术目的的技术解决方案是，一种基于相移量机电耦合的分布式MEMS移相器工作电压的调整方法，该方法包括下述步骤：(1)根据分布式MEMS移相器的基本结构，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移相器设计要求，确定分布式MEMS移相器的工作电压标准值V0和相移量标准值Δφ0；(3)对分布式MEMS移相器施加2V0的工作电压，测量分布式MEMS移相器此工作状态下，M个MEMS桥中第i个(1≤i≤M)MEMS桥产生的相移量Δφi；(4)比较相移量测量值Δφi与标准值Δφ0，如果测量值大于标准值，则继续步骤5，否则转至步骤8；(5)当相移量测量值Δφi大于标准值Δφ0时，可得MEMS桥有向上的高度误差，计算第i个MEMS桥的等效电路参数；(6)利用单个MEMS桥的机电耦合模型，反推计算第i个MEMS桥向上的高度误差值；(7)利用工作电压对MEMS桥高度的控制关系式，根据MEMS桥向上的高度误差值，分别计算第i个MEMS桥“up”和“down”两个工作状态下工作电压的调整量，然后转至步骤(11)；(8)当相移量测量值Δφi小于或等于标准值Δφ0时，可得MEMS桥有向下的高度误差，计算第i个MEMS桥的等效电路参数；(9)利用单个MEMS桥的机电耦合模型，反推计算第i个MEMS桥向下的高度误差值；(10)利用工作电压对MEMS桥高度的控制关系式，根据MEMS桥向下的高度误差值，计算第i个MEMS桥“up”工作状态下工作电压的调整量；(11)判断是否已对全部MEMS桥计算了工作电压的调整量，如果是，则得到了M个MEMS桥工作电压的调整量，否则，测量下一个MEMS桥的相移量，并重复步骤(3)到步骤(11)；(12)利用计算出的工作电压调整量，重新施加到相应的MEMS桥上，测量分布式MEMS移相器的整体相移量；(13)判断调整电压后的分布式MEMS移相器电性能是否满足指标要求，如果满足，则说明得到了分布式MEMS移相器工作电压的最优调整量，可使分布式MEMS移相器在工作环境下达到最优性能；否则，修改分布式MEMS移相器的结构参数，并重复步骤(1)到步骤(13)，直至满足要求。所述步骤(1)分布式MEMS移相器的结构参数,包括共面波导传输线、MEMS桥和介质层的长度、宽度和厚度，相邻两个桥的间距，以及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。所述步骤(5)当相移量测量值Δφi大于标准值Δφ0时，计算第i个MEMS桥的等效电路参数：(5a)将步骤(3)中的相移量测量值与步骤(2)的标准值比较，当相移量测量值Δφi大于标准值Δφ0时，可得MEMS桥有向上的高度误差；(5b)计算第i个MEMS桥的等效电路参数，MEMS桥未加载时，传输线上单位长度的等效电容值Ct公式为：Ct=ϵr+12/cZ0]]>式中，εr是介质层的相对介电常数，c是光速，Z0是传输线的特征阻抗；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=CtZ02]]>式中，Ct是传输线上单位长度的等效电容值，Z0是传输线的特征阻抗。所述步骤(6)利用单个MEMS桥的机电耦合模型，反推计算第i个MEMS桥向上的高度误差值：(6a)利用单个MEMS桥的机电耦合模型，以及步骤(3)第i个MEMS桥相移量的测量值可反推计算出“up”工作状态下可变电容值Cui(Δh)，该耦合模型如下：Δφi=ωLt本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于相移量机电耦合的分布式MEMS移相器工作电压的调整方法，其特征在于，包括下述步骤：(1)根据分布式MEMS移相器的基本结构，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移相器设计要求，确定分布式MEMS移相器的工作电压标准值V0和相移量标准值Δφ0；(3)对分布式MEMS移相器施加2V0的工作电压，测量分布式MEMS移相器此工作状态下，M个MEMS桥中第i个(1≤i≤M)MEMS桥产生的相移量Δφi；(4)比较相移量测量值Δφi与标准值Δφ0，如果测量值大于标准值，则继续步骤(5)，否则转至步骤(8)；(5)当相移量测量值Δφi大于标准值Δφ0时，可得MEMS桥有向上的高度误差，计算第i个MEMS桥的等效电路参数；(6)利用单个MEMS桥的机电耦合模型，反推计算第i个MEMS桥向上的高度误差值；(7)利用工作电压对MEMS桥高度的控制关系式，根据MEMS桥向上的高度误差值，分别计算第i个MEMS桥“up”和“down”两个工作状态下工作电压的调整量，然后转至步骤(11)；(8)当相移量测量值Δφi小于或等于标准值Δφ0时，可得MEMS桥有向下的高度误差，计算第i个MEMS桥的等效电路参数；(9)利用单个MEMS桥的机电耦合模型，反推计算第i个MEMS桥向下的高度误差值；(10)利用工作电压对MEMS桥高度的控制关系式，根据MEMS桥向下的高度误差值，计算第i个MEMS桥“up”工作状态下工作电压的调整量；(11)判断是否已对全部MEMS桥计算了工作电压的调整量，如果是，则得到了M个MEMS桥工作电压的调整量，否则，测量下一个MEMS桥的相移量，并重复步骤(3)到步骤(11)；(12)利用计算出的工作电压调整量，重新施加到相应的MEMS桥上，测量分布式MEMS移相器的整体相移量；(13)判断调整电压后的分布式MEMS移相器电性能是否满足指标要求，如果满足，则说明得到了分布式MEMS移相器工作电压的最优调整量，可使分布式MEMS移相器在工作环境下达到最优性能；否则，修改分布式MEMS移相器的结构参数，并重复步骤(1)到步骤(13)，直至满足要求。...

【技术特征摘要】
1.一种基于相移量机电耦合的分布式MEMS移相器工作电压的调整方法，
其特征在于，包括下述步骤：
(1)根据分布式MEMS移相器的基本结构，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移相器设计要求，确定分布式MEMS移相器的工
作电压标准值V0和相移量标准值Δφ0；
(3)对分布式MEMS移相器施加2V0的工作电压，测量分布式MEMS移相
器此工作状态下，M个MEMS桥中第i个(1≤i≤M)MEMS桥产生的相移量Δφi；
(4)比较相移量测量值Δφi与标准值Δφ0，如果测量值大于标准值，则继续
步骤(5)，否则转至步骤(8)；
(5)当相移量测量值Δφi大于标准值Δφ0时，可得MEMS桥有向上的高度误
差，计算第i个MEMS桥的等效电路参数；
(6)利用单个MEMS桥的机电耦合模型，反推计算第i个MEMS桥向上
的高度误差值；
(7)利用工作电压对MEMS桥高度的控制关系式，根据MEMS桥向上的
高度误差值，分别计算第i个MEMS桥“up”和“down”两个工作状态下工作电
压的调整量，然后转至步骤(11)；
(8)当相移量测量值Δφi小于或等于标准值Δφ0时，可得MEMS桥有向下的
高度误差，计算第i个MEMS桥的等效电路参数；
(9)利用单个MEMS桥的机电耦合模型，反推计算第i个MEMS桥向下
的高度误差值；
(10)利用工作电压对MEMS桥高度的控制关系式，根据MEMS桥向下的

\t高度误差值，计算第i个MEMS桥“up”工作状态下工作电压的调整量；
(11)判断是否已对全部MEMS桥计算了工作电压的调整量，如果是，则
得到了M个MEMS桥工作电压的调整量，否则，测量下一个MEMS桥的相移
量，并重复步骤(3)到步骤(11)；
(12)利用计算出的工作电压调整量，重新施加到相应的MEMS桥上，测
量分布式MEMS移相器的整体相移量；
(13)判断调整电压后的分布式MEMS移相器电性能是否满足指标要求，
如果满足，则说明得到了分布式MEMS移相器工作电压的最优调整量，可使分
布式MEMS移相器在工作环境下达到最优性能；否则，修改分布式MEMS移相
器的结构参数，并重复步骤(1)到步骤(13)，直至满足要求。
2.根据权利要求1所述的基于相移量机电耦合的分布式MEMS移相器工
作电压的调整方法，其特征在于，步骤(1)中所述分布式MEMS移相器的结
构参数包括共面波导传输线、MEMS桥和介质层的长度、宽度和厚度、相邻两
个桥的间距，以及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。
3.根据权利要求1所述的基于相移量机电耦合的分布式MEMS移相器工
作电压的调整方法，其特征在于，步骤(5)按如下过程进行：
(5a)将步骤(3)中的相移量测量值与步骤(2)的标准值比较，当相移
量测量值Δφi大于标准值Δφ0时，可得MEMS桥有向上的高度误差；
(5b)计算第i个MEMS桥的等效电路参数，MEMS桥未加载时，传输线
上单位长度的等效电容值Ct公式为：
Ct=ϵr+12/cZ0]]>式中，εr是介质层的相对介电常数，c是光速，Z0是传输线的特征阻抗；
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=CtZ02]]>式中，Ct是传输线上单位长度的等效电容值，Z0是传输线的特征阻抗。
4.根据权利要求1所述的一种基于相移量机电耦合的分布式MEMS移相
器工作电压的调整方法，其特征在于，步骤(6)按如下过程进行：
(6a)利用单个MEMS桥的机电耦合模型，以及步骤(3)第i个MEMS
桥相移量的测量值可反推计算出“up”工作状态下可变电容值Cui(Δh)，该耦合模
型如下：
Δφi=ωLtCt(1+Cds×Ct-1+Cui(Δh)s×Ct)]]>式中，s是相邻MEMS桥间距值，ω是工作频率，Ct是传输线上单位长度
的等效电容值，Lt是传输线上单位长度的等效电感值，Cd是“down”工作状态
下可变电容值，Cui(Δh)是“up”工作状态下可变电容值；Δφi是第i个MEMS桥
相移量的测量值；
(6b)根据步骤(6a)计算的“up”工作状态下可变电容值Cui(Δh)，利用“up”
工作状态下可变电容值与MEMS桥高度误差的关系式，可以反推得到第i个
MEMS桥向上的高度误差Δh，该关系式如下：
Cui(Δh)=Σj=1nϵ0wcnwbh+Δh-(j...

【专利技术属性】
技术研发人员：王从思，殷蕾，王艳，王伟，李申，米建伟，保宏，肖岚，项斌斌，许谦，庞毅，蒋力，
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