CN105550456B - 一种变形分布式mems移相器性能的机电耦合预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明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。
Description
技术领域
本发明属于微波器件技术领域,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。本发明建立的分布式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。
背景技术
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。
发明内容
基于上述问题,本发明建立的分布式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,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。
实现本发明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;
(7)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,εr为介质层的相对介电常数,c为光速,Z0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:
式中,Ct为传输线上单位长度的等效电容值,Z0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Δh。
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,ε0是空气的相对介电常数,εr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,ε0为空气的相对介电常数,εr为介质层的相对介电常数。
故上式中只有Ai和hi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wc换分2n份,n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Δh,计算离散电容的高度:
其中,wc为中心导体宽度,Δh为MEMS桥高度偏移量的最大值,L为MEMS桥长度,n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wb,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、Cu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,得到每个MEMS桥高度偏移量与MEMS桥相移量的机电耦合模型为:
进一步,所述步骤(7)计算分布式MEMS移相器的相移量包括如下步骤:
(7a)根据每个MEMS桥机电耦合模型,分别计算分布式MEMS移相器中m个MEMS桥产生的相移量Δφi';
(7b)将m个MEMS桥产生的相移量累加求和,得到整个分布式MEMS移相器的相移量为:
本发明与现有技术相比,具有以下特点:
1.本发明基于机电耦合方法,建立了分布式MEMS移相器中关键结构参数MEMS桥高度和电参数相移量之间耦合关系的机电耦合模型,可用于研究在分布式MEMS移相器内部载荷环境和外界载荷环境影响下所引起的MEMS桥高度偏移对相移量的影响,解决了目前只能单纯从机械角度或者电路角度对分布式MEMS进行设计优化的缺陷。
2.通过建立的分布式MEMS移相器机电耦合模型,可定量得到MEMS桥高度和相移量之间的关系,可以判断分布式MEMS移相器结构设计方案的合理性及其对分布式MEMS移相器性能的影响。
附图说明
图1是本发明一种变形分布式MEMS移相器性能的机电耦合预测方法的流程图;
图2是分布式MEMS移相器“up”工作状态下部分结构示意图;
图3是分布式MEMS移相器“down”工作状态下部分结构示意图;
图4是分布式MEMS移相器剖面示意图;
图5是MEMS桥求离散电容示意图;
图6是分布式MEMS移相器有限元模型图;
图7是分布式MEMS移相器结构变形云图;
图8是MEMS桥高度偏移量与“up”工作状态下可变电容值的关系图;
图9是MEMS桥高度偏移量与分布式MEMS移相器相移量的关系图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
参照图1,本发明为一种变形分布式MEMS移相器性能的机电耦合预测方法,具体步骤如下:
步骤1,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移相器结构参数如图2所示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和MEMS桥距介质层的高度;分布式MEMS移相器的材料属性,包括介质层的相对介电常数;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。
步骤2,确定分布式MEMS移相器的等效电路参数。
(2a)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,εr为介质层的相对介电常数,c为光速,Z0为传输线的特性阻抗;
(2b)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:
式中,Ct为传输线上单位长度的等效电容值,Z0为传输线的特性阻抗。
步骤3,确定分布式MEMS相移器的工作条件。
MEMS移相器的包括静力环境、热环境、振动环境。
步骤4,计算每个MEMS桥结构变形后高度的最大偏移量。
(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Δh。
步骤5,计算每个MEMS桥与传输线构成的可变电容值。
(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为中心导体宽度,wb为MEMS桥宽度,h为MEMS桥距介质层的高度,td为介质层厚度,ε0为空气的相对介电常数,εr为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如图5所示。
(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,ε0为空气的相对介电常数,εr为介质层的相对介电常数;
故上式中只有Ai和hi是变量,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wc换分2n份,n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,如图5所示,利用步骤(4b)中提取的每个MEMS桥最大相移量Δh,计算离散电容的高度:
式中,(其中,wc为中心导体宽度,Δh为MEMS桥高度偏移量的最大值,L为MEMS桥长度,n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wb,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:
步骤6,建立每个MEMS桥的机电耦合模型。
(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、Cu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,得到每个MEMS桥高度偏移量与MEMS桥相移量的机电耦合模型为:
步骤7,计算分布式MEMS移相器的相移量。
(7a)根据每个MEMS桥机电耦合模型,分别计算分布式MEMS移相器中m个MEMS桥产生的相移量Δφi';
(7b)将m个MEMS桥产生的相移量累加求和,得到整个分布式MEMS移相器的相移量为:
步骤8,判断分布式MEMS移相器的相移量是否满足要求
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。
本发明的优点可通过以下仿真实验进一步说明:
一、确定分布式MEMS移相器的参数
本实例中以工作频率为1GHZ、4个MEMS桥的分布式MEMS移相器为例。分布式MEMS移相器的几何模型参见图2所示,图中,A为介质层,B为MEMS桥,C为共面波导传输线,D为MEMS桥间距。分布式MEMS移相器的几何模型参数如表1所示、材料属性如表2所示。
表1分布式MEMS移相器的几何模型参数
表2分布式MEMS移相器的材料属性
二、预测分布式MEMS移相器性能
1.建立分布式MEMS移相器结构有限元模型
根据分布式MEMS移相器的几何模型尺寸、材料属性参数在ANSYS软件中建立分布式MEMS移相器的结构有限元模型。其中,根据工程实际,按照表2中的材料参数设置MEMS桥、介质层、共面波导传输线的材料属性。MEMS桥的结构单元类型为SHELL131,共面波导传输线结构单元类型为实体单元SOLID92,MEMS桥两端与共面波导传输线相互连接,之间没有相对位移。对分布式MEMS移相器的几何结构模型,采用ANSYS软件设定的自由网格进行网格划分,得到分布式MEMS移相器的网格模型如图6所示。
2.施加约束和载荷,得到分布式MEMS移相器变形量,获取每个MEMS桥的最大偏移量
2.1根据工程实际及工艺制造,将分布式MEMS移相器底部进行全约束;
2.2根据分布式MEMS移相器有限元模型约束条件和静力载荷,通过ANSYS软件计算分布式MEMS移相器的变形量,绘制分布式MEMS移相器的结构变形云图,如图7所示。提取分布式MEMS移相器中单个MEMS桥的有限元模型,计算单个MEMS桥高度的最大偏移量Δh。
3.计算分布式MEMS移相器等效电路参数值
3.1计算传输线上单位长度的等效电容值Ct如公式(1)所示:
式中,εr是介质层的相对介电常数,氮化硅的相对介电常数为7,c=3×108m/s为光速Z0是传输线的特性阻抗为50;
3.2通过单位长度的等效电容值,计算传输线上单位长度的等效电感值Lt,如公式(2):
式中,Ct是传输线上单位长度的等效电容值,Z0是传输线的特性阻抗为50。
4.计算MEMS桥产生偏移量后的等效电容值
4.1.提取每个MEMS桥高度产生的最大偏移量Δh,“up”工作状态下的可变电容的计算如公式(3)所示:
4.2.MEMS桥与传输线构成的“down”共作状态下的可变电容值Cd的计算如公式(4)所示:
图3是分布式MEMS移相器“down”工作状态下部分结构示意图。
5.计算分布式MEMS移相器的相移量
5.1利用每个MEMS桥高度偏移量与MEMS桥相移量的机电耦合模型计算MEMS桥的相移量,公式(5)如下:
5.2将4个MEMS桥产生的相移量累加求和,得到整个分布式MEMS移相器的相移量如公式(6)所示:
图4是分布式MEMS移相器剖面示意图。
三.仿真结果及分析
利用以上方法得到变形分布式MEMS移相器的相移量,计算结果如图8和图9所示,其中图8是MEMS桥高度产生偏移量后对“up”工作状态下的可变电容的影响情况。可以看出当MEMS桥没有产生偏移量时“up”工作状态下的可变电容值为0.004uF,随着MEMS桥产生最大偏移量的增加,“up”工作状态下的可变电容变化越大。当MEMS桥上最大偏移量为2.5um时,“up”工作状态下的可变电容值变为0.067uF,因此会导致分布式MEMS移相器的相移量大大缩减如图9所示。图9是MEMS桥高度偏移量与分布式MEMS移相器相移量的关系图,将所有MEMS桥的相移量累加求和,得到分布式MEMS移相器的相移量。可以看出,MEMS桥没有产生偏移量时,MEMS移相器移相能力是360°;随着MEMS桥产生偏移量的增加,MEMS移相器移相能力也相应降低,当MEMS桥产生的最大偏移量为2.5um时,MEMS移相器移相能力降为147.54°。
上述仿真实验可以看出,应用本发明可以实现分布式MEMS移相器的关键结构参数MEMS桥高度和关键电参数相移量的耦合分析,可得到变形的MEMS桥高度对相移量的影响,本实例中MEMS桥的变形对分布式MEMS移相器相移量明显恶化。需要修改分布式MEMS移相器的结构参数,以满足移相器相移量的指标要求。因此利用此方法可实现对分布式MEMS移相器性能的预测,指导分布式MEMS移相器的设计与优化。
Claims (7)
1.一种变形分布式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;
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、厚度,以及相邻两个桥的间距和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。
2.根据权利要求1所述的一种变形分布式MEMS移相器性能的机电耦合预测方法,其特征在于,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。
3.根据权利要求1所述的一种变形分布式MEMS移相器性能的机电耦合预测方法,其特征在于,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,εr为介质层的相对介电常数,c为光速,Z0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:
式中,Ct为传输线上单位长度的等效电容值,Z0为传输线的特性阻抗。
4.根据权利要求1所述的一种变形分布式MEMS移相器性能的机电耦合预测方法,其特征在于,步骤(4)按如下过程进行:
(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Δh。
5.根据权利要求1所述的一种变形分布式MEMS移相器性能的机电耦合预测方法,其特征在于,步骤(5)按如下过程进行:
(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为中心导体宽度,wb为MEMS桥宽度,h为MEMS桥距介质层的高度,td为介质层厚度,ε0为空气的相对介电常数,εr为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,ε0为空气的相对介电常数,εr为介质层的相对介电常数;
上式中只有Ai和hi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为每个离散电容中心导体的长度,将中心导体wc换分2n份,n为离散电容的个数,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Δh,计算离散电容的高度:
式中,
其中,wc为中心导体宽度,Δh为MEMS桥高度偏移量的最大值,L为MEMS桥长度,n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wb,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:
6.根据权利要求5所述的一种变形分布式MEMS移相器性能的机电耦合预测方法,其特征在于,步骤(6)按如下过程进行:
(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、Cu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,得到每个MEMS桥高度偏移量与MEMS桥相移量的机电耦合模型为:
7.根据权利要求1所述的一种变形分布式MEMS移相器性能的机电耦合预测方法,其特征在于,步骤(7)按如下过程进行:
(7a)根据每个MEMS桥机电耦合模型,分别计算分布式MEMS移相器中m个MEMS桥产生的相移量Δφi';
(7b)将m个MEMS桥产生的相移量累加求和,得到整个分布式MEMS移相器的相移量为:
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