基于相移量機(jī)電耦合的分布式mems移相器工作電壓的調(diào)整方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于微波器件技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于相移量機(jī)電禪合的分布式MEMS移 相器工作電壓的調(diào)整方法。本發(fā)明設(shè)及分布式MEMS移相器工作電壓的調(diào)整方法，可用于指 導(dǎo)工作過程中分布式MEMS移相器工作電壓的調(diào)整量，保證相移量滿足性能要求。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著RF MEMS(Mic;r〇-elec1:;romechanical Systems)技術(shù)的發(fā)展，MEMS移相器，因 其小型化、損耗低、成本低、性能好等優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于各種雷達(dá)和衛(wèi)星導(dǎo)航等領(lǐng)域中。其 中分布式MEMS移相器相對(duì)于其他形式的MEMS移相器工藝制造更容易、體積更小、性能更好， 并被譽(yù)為"最有吸引力的器件之一"，因此成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。
[0003] 分布式MEMS移相器利用"R-kC"網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)移相功能/'R-kC"網(wǎng)絡(luò)由若干個(gè)"R-k C"(移相)單元按照一定規(guī)則組成，每個(gè)"R-L-C"單元只能完成有限的移相。而"R-L-C"移相 單元是W機(jī)械的物理結(jié)構(gòu)形式出現(xiàn)的。要完成整個(gè)移相器移相的功能，需要大量的機(jī)械結(jié) 構(gòu)單元，隨著機(jī)械結(jié)構(gòu)單元數(shù)目階躍性的增長，各種副作用也會(huì)隨之產(chǎn)生。因此，在日益嚴(yán) 峻的軍事需求下，發(fā)展具有高性能、高抗干擾性能的分布式MEMS移相器就凸顯的尤為重要。 分布式MEMS移相器是電磁、精密機(jī)械結(jié)構(gòu)等多學(xué)科相結(jié)合的系統(tǒng)，其電性能不僅取決于電 磁學(xué)科的設(shè)計(jì)水平，同時(shí)也取決于機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平。機(jī)械結(jié)構(gòu)不僅是電性能的載體和 保障，并且往往制約著電性能的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，電性能的實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)也提出了更高的要 求。分布式MEMS移相器是多個(gè)MEMS橋重復(fù)排列組成的結(jié)構(gòu)，由于機(jī)械加工設(shè)備精度、安裝精 度的限制，W及工作過程中受到振動(dòng)、熱功耗等外載荷的影響，致使MEMS橋高度發(fā)生改變， 從而使得移相器的相移量產(chǎn)生偏差，性能降低。因此，為了降低MEMS橋高度誤差對(duì)相移量的 影響，確保分布式MEMS移相器能夠正常工作，必須對(duì)控制MEMS橋高度的工作電壓進(jìn)行調(diào)整。
[0004] 因此，有必要利用分布式MEMS移相器MEMS橋結(jié)構(gòu)參數(shù)和相移量之間的機(jī)電禪合模 型，根據(jù)測量的相移量反推計(jì)算出MEMS橋高度的誤差，利用控制電壓和MEMS橋高度關(guān)系式， 快速給出工作電壓調(diào)整量，保證分布式MEMS移相器受外界環(huán)境影響下仍能正常工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 基于上述問題，為了保證分布式MEMS移相器在實(shí)際工作環(huán)境中相移量的性能，本 發(fā)明利用分布式MEMS移相器結(jié)構(gòu)參數(shù)MEMS橋高度和相移量之間的機(jī)電禪合模型，可W實(shí)現(xiàn) 分布式MEMS移相器結(jié)構(gòu)參數(shù)和電參數(shù)禪合分析，有效地解決了分布式MEMS移相器工作過程 中無法確定MEMS橋高度的問題，結(jié)合工作電壓對(duì)MEMS橋的控制關(guān)系式，直接得到工作電壓 調(diào)整量，為分布式MEMS移相器實(shí)際工作中的可靠性提供了理論指導(dǎo)。
[0006] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案是，一種基于相移量機(jī)電禪合的分布式MEMS移相 器工作電壓的調(diào)整方法，該方法包括下述步驟：
[0007] (1)根據(jù)分布式MEMS移相器的基本結(jié)構(gòu)，確定分布式MEMS移相器的結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料 屬性和電磁工作參數(shù)；
[000引（2)根據(jù)分布式MEMS移相器設(shè)計(jì)要求，確定分布式MEMS移相器的工作電壓標(biāo)準(zhǔn)值 Vo和相移量標(biāo)準(zhǔn)值A(chǔ) Φο;
[0009] (3)對(duì)分布式MEMS移相器施加2V〇的工作電壓，測量分布式MEMS移相器此工作狀態(tài) 下，Μ個(gè)MEMS橋中第i個(gè)(1 y < M)MEMS橋產(chǎn)生的相移量Δ Φ i;
[0010] (4)比較相移量測量值Δ φι與標(biāo)準(zhǔn)值Δ φο,如果測量值大于標(biāo)準(zhǔn)值，則繼續(xù)步驟 5,否則轉(zhuǎn)至步驟8;
[0011] (5)當(dāng)相移量測量值Δ Φι大于標(biāo)準(zhǔn)值Δ Φο時(shí)，可得MEMS橋有向上的高度誤差，計(jì) 算第i個(gè)MEMS橋的等效電路參數(shù)；
[0012] (6)利用單個(gè)MEMS橋的機(jī)電禪合模型，反推計(jì)算第i個(gè)MEMS橋向上的高度誤差值；
[0013 ] (7)利用工作電壓對(duì)MEMS橋高度的控制關(guān)系式，根據(jù)MEMS橋向上的高度誤差值，分 別計(jì)算第i個(gè)MEMS橋"up"和"down"兩個(gè)工作狀態(tài)下工作電壓的調(diào)整量，然后轉(zhuǎn)至步驟(11);
[0014] (8)當(dāng)相移量測量值Δ φι小于或等于標(biāo)準(zhǔn)值Δ φο時(shí)，可得MEMS橋有向下的高度誤 差，計(jì)算第i個(gè)MEMS橋的等效電路參數(shù)；
[0015] (9)利用單個(gè)MEMS橋的機(jī)電禪合模型，反推計(jì)算第i個(gè)MEMS橋向下的高度誤差值；
[0016] (10)利用工作電壓對(duì)MEMS橋高度的控制關(guān)系式，根據(jù)MEMS橋向下的高度誤差值， 計(jì)算第i個(gè)MEMS橋"up"工作狀態(tài)下工作電壓的調(diào)整量；
[0017] (11)判斷是否已對(duì)全部MEMS橋計(jì)算了工作電壓的調(diào)整量，如果是，貝峭到了 Μ個(gè) MEMS橋工作電壓的調(diào)整量，否則，測量下一個(gè)MEMS橋的相移量，并重復(fù)步驟(3巧Ij步驟(11);
[0018] (12)利用計(jì)算出的工作電壓調(diào)整量，重新施加到相應(yīng)的MEMS橋上，測量分布式 MEMS移相器的整體相移量；
[0019] (13)判斷調(diào)整電壓后的分布式MEMS移相器電性能是否滿足指標(biāo)要求，如果滿足， 則說明得到了分布式MEMS移相器工作電壓的最優(yōu)調(diào)整量，可使分布式MEMS移相器在工作環(huán) 境下達(dá)到最優(yōu)性能；否則，修改分布式MEMS移相器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并重復(fù)步驟（υ到步驟（13)， 直至滿足要求。
[0020] 所述步驟（1)分布式MEMS移相器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括共面波導(dǎo)傳輸線、MEMS橋和介質(zhì) 層的長度、寬度和厚度，相鄰兩個(gè)橋的間距，W及MEMS橋距介質(zhì)層的高度;所述分布式MEMS 移相器的材料屬性包括介質(zhì)層的相對(duì)介電常數(shù);所述分布式MEMS移相器的電磁工作參數(shù)包 括分布式MEMS移相器的電磁工作頻率ω。
[0021] 所述步驟(5)當(dāng)相移量測量值Δ Φ i大于標(biāo)準(zhǔn)值Δ Φ 0時(shí)，計(jì)算第i個(gè)MEMS橋的等效 電路參數(shù)：
[0022] (5a)將步驟(3)中的相移量測量值與步驟（2)的標(biāo)準(zhǔn)值比較，當(dāng)相移量測量值Δ Φ i大于標(biāo)準(zhǔn)值Δ Φ 0時(shí)，可得MEMS橋有向上的高度誤差；
[0023] (5b)計(jì)算第i個(gè)MEMS橋的等效電路參數(shù)，MEMS橋未加載時(shí)，傳輸線上單位長度的等 效電容值Ct公式為：
[0024]
[0025] 式中，Er是介質(zhì)層的相對(duì)介電常數(shù)，C是光速，Zo是傳輸線的特征阻抗；
[0026] MEMS橋未加載時(shí)，傳輸線上單位長度的等效電感值k公式為：
[0027]
[0028] 式中，Ct是傳輸線上單位長度的等效電容值，Zo是傳輸線的特征阻抗。
[0029] 所述步驟(6)利用單個(gè)MEMS橋的機(jī)電禪合模型，反推計(jì)算第i個(gè)MEMS橋向上的高度 誤差值：
[0030] (6a)利用單個(gè)MEMS橋的機(jī)電禪合模型，W及步驟(3)第i個(gè)MEMS橋相移量的測量值 可反推計(jì)算出"up"工作狀態(tài)下可變電容值Cui( Δ h)，該禪合模型如下：
[0031]
[0032] 式中，S是相鄰MEMS橋間距值，ω是工作頻率，Ct是傳輸線上單位長度的等效電容 值，U是傳輸線上單位長度的等效電感值，Cd是"down"工作狀態(tài)下可變電容值，Cui( Ah)是 "up"工作狀態(tài)下可變電容值；Δ φι是第i個(gè)MEMS橋相移量的測量值；
[0033] (6b)根據(jù)步驟(6a)計(jì)算的"啡"工作狀態(tài)下可變電容值Cui( Ah),利用"啡"工作狀 態(tài)下可變電容值與MEMS橋高度誤差的關(guān)系式，可W反推得到第i個(gè)MEMS橋向上的高度誤差 Ah,該關(guān)系式如下：
[0034]
[00對(duì)式中，Wc是中屯、導(dǎo)體寬度，Wb是橋?qū)挾?，h是MEMS橋距介質(zhì)層的理想高度，td是介質(zhì) 層厚度，ε0是空氣的相對(duì)介電常數(shù)，Er是介質(zhì)層的相對(duì)介電常數(shù)，L是MEMS橋長，A h是MEMS橋 向上的局度誤差。
[0036] 所述步驟(7)利用工作電壓對(duì)MEMS橋高度的控制關(guān)系式，根據(jù)MEMS橋向上的高度 誤差值，分別計(jì)算第i個(gè)1615橋 >"和"down"兩個(gè)工作狀態(tài)下工作電壓的調(diào)整量：
[0037] (7a)工作電壓對(duì)MEMS橋高度的控制關(guān)系式如下所示：
[00；3 引
[0039] 式中，k是MEMS橋的彈性剛度，h是MEMS橋的理想高度，ε〇是空氣的相對(duì)介電常數(shù)，W。 是中屯、導(dǎo)體寬度，Wb是橋?qū)挾龋?br>[0040] (7b)根據(jù)步驟(6b)中MEMS橋向上的高度誤差值，因 MEMS橋"啡"工作狀態(tài)下的理想 工作電壓為零，故計(jì)算第i個(gè)MEMS橋"up"工作狀態(tài)下工作電壓的調(diào)整量如下：
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