分布式MEMS移相器机电耦合建模、公差确定及变形补偿

摘要

移相器是相控阵天线的核心部件之一，它是控制相控阵天线空间波束指向的“方向盘”，其性能的好坏直接影响相控阵天线的性能。相对于几种传统结构的移相器， MEMS移相器具有频带宽、损耗小、成本低、小型化且易于集成等优点，目前已成为相控阵天线发展的主流移相器。相控阵天线的工作环境极为复杂，由于环境载荷会引起MEMS移相器的结构发生意外变形，结果先使MEMS移相器相移精度下降、性能恶化，然后直接降低整个相控阵天线的性能。所以能够完成结构意外变形对MEMS移相器性能影响的相关数据计算，并做出预测具有极高的工程价值。由于MEMS移相器的物理结构中同时包括固定组件和可动组件，结构参数和电学参数相互影响、相互制约，与之相关的精确计算难度大，成本高，所以国内外鲜有相关报告。基于此，本文建立MEMS移相器关键结构参数和电性能之间的耦合关系，将复杂环境要素对物理结构的影响传递到结构参数和电学参数上，然后推导出适合分布式MEMS移相器的机电耦合模型，并利用机电耦合模型对MEMS移相器进行优化设计及相移量补偿，主要工作内容如下：
　　首先，对分布式MEMS移相器的工作环境进行分析，找到环境载荷对MEMS移相器物理结构影响机理，得到MEMS桥结构受环境影响发生变形对整个移相器性能影响极大。然后提取结构参数“MEMS桥高度”和电参数“相移量”，并建立两者的机电耦合模型。将MEMS桥的变形高度通过等效电容传递到相移量上，借用有限元计算的思想，推导出一种适合分布式MEMS移相器的机电耦合模型。
　　其次，针对变形MEMS移相器很难预测性能和结构变化问题，利用机电耦合模型，对变形分布式MEMS移相器这两个关键要素进行定量分析，分别是通过机电耦合模型快速预测分布式MEMS移相器受环境影响后相移量的变化情况以及快速确定MEMS桥的高度公差，从而可降低设计优化人员大量的人力和时间成本，进而预测其可承受的环境条件。然后以四位分布式MEMS移相器为例，得到当MEMS桥高度变形量为0.1475?m时，相移量由理想的22.5°降为22.37°，当变形量为1.0475?m时，相移量降为21.25°；当分布式MEMS移相器的最大相移量公差为11.25°时，利用机电耦合模型可计算出，MEMS桥的高度公差为0.625?m。
　　最后，针对MEMS移相器结构发生变化，导致相移量产生偏差以至于不能正常工作问题，利用机电耦合模型，提出一种变形分布式MEMS移相器相移量补偿方法。首先，判断MEMS桥变形情况，然后结合机电耦合模型反推计算MEMS桥高度的变化值，再利用下拉电压计算公式得到下拉电压调整量，进而实现相移量的补偿，此方法确保分布式MEMS移相器受环境影响后还可正常工作。通过计算可知，当MEMS桥相移量由标准值22.5°降到21.97°时，MEMS桥会产生向下0.54?m的变形，此时需要下拉电压的调整量为1.14V；产生0.98?m的变形时，需要5.86V的下拉电压调整量。

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第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2 RF MEMS移相器研究概述

1.3 MEMS移相器机电耦合的研究意义

1.4本文主要工作

第二章 建立分布式MEMS移相器机电耦合模型

2.1引言

2.2分布式MEMS移相器基本理论

2.3外界环境对分布式MEMS移相器结构和性能影响分析

2.4分布式MEMS移相器机电耦合模型

2.5本章小结

第三章 基于机电耦合模型的变形MEMS移相器要素分析

3.1引言

3.2变形分布式MEMS移相器的电性能快速预测方法

3.3快速确定分布式MEMS移相器的结构公差

3.4本章小结

第四章 基于机电耦合模型的变形MEMS移相器相移量补偿方法

4.1引言

4.2快速确定变形MEMS桥的高度误差及下拉电压调整量

4.3分布式MEMS移相器相移量补偿方法应用算例

4.4本章小结

第五章 总结与展望

5.1工作总结

5.2研究展望

参考文献

致谢

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