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
【技术领域】
[0001] 本发明属于微波器件技术领域，具体是一种基于相移量机电禪合的分布式MEMS移 相器工作电压的调整方法。本发明设及分布式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。
【背景技术】
[0002] 随着RF MEMS(Mic;r〇-elec1:;romechanical 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。
[0003] 分布式MEMS移相器利用"R-kC"网络实现移相功能/'R-kC"网络由若干个"R-k 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W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，W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。
[0004] 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禪合模 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。
【发明内容】
[0005] 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 发明利用分布式MEMS移相器结构参数MEMS桥高度和相移量之间的机电禪合模型，可W实现 分布式MEMS移相器结构参数和电参数禪合分析，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。
[0006] 实现本发明目的的技术解决方案是，一种基于相移量机电禪合的分布式MEMS移相 器工作电压的调整方法，该方法包括下述步骤：
[0007] (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；
[000引（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 Vo和相移量标准值A Φο;
[0009] (3)对分布式MEMS移相器施加2V〇的工作电压，测量分布式MEMS移相器此工作状态 下，Μ个MEMS桥中第i个(1 y < M)MEMS桥产生的相移量Δ Φ i;
[0010] (4)比较相移量测量值Δ φι与标准值Δ φο,如果测量值大于标准值，则继续步骤 5,否则转至步骤8;
[0011] (5)当相移量测量值Δ Φι大于标准值Δ Φο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；
[0012] (6)利用单个MEMS桥的机电禪合模型，反推计算第i个MEMS桥向上的高度误差值；
[0013 ] (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);
[0014] (8)当相移量测量值Δ φι小于或等于标准值Δ φο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；
[0015] (9)利用单个MEMS桥的机电禪合模型，反推计算第i个MEMS桥向下的高度误差值；
[0016] (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；
[0017] (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，贝峭到了 Μ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巧Ij步骤(11);
[0018] (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；
[0019] (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（υ到步骤（13)， 直至满足要求。
[0020] 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，W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。
[0021] 所述步骤(5)当相移量测量值Δ Φ i大于标准值Δ Φ 0时，计算第i个MEMS桥的等效 电路参数：
[0022] (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Δ Φ i大于标准值Δ Φ 0时，可得MEMS桥有向上的高度误差；
[0023] (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：
[0024]
[0025] 式中，Er是介质层的相对介电常数，C是光速，Zo是传输线的特征阻抗；
[0026] MEMS桥未加载时，传输线上单位长度的等效电感值k公式为：
[0027]
[0028] 式中，Ct是传输线上单位长度的等效电容值，Zo是传输线的特征阻抗。
[0029] 所述步骤(6)利用单个MEMS桥的机电禪合模型，反推计算第i个MEMS桥向上的高度 误差值：
[0030] (6a)利用单个MEMS桥的机电禪合模型，W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( Δ h)，该禪合模型如下：
[0031]
[0032] 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，U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( Ah)是 "up"工作状态下可变电容值；Δ φι是第i个MEMS桥相移量的测量值；
[0033] (6b)根据步骤(6a)计算的"啡"工作状态下可变电容值Cui( Ah),利用"啡"工作状 态下可变电容值与MEMS桥高度误差的关系式，可W反推得到第i个MEMS桥向上的高度误差 Ah,该关系式如下：
[0034]
[00对式中，Wc是中屯、导体宽度，Wb是桥宽度，h是MEMS桥距介质层的理想高度，td是介质 层厚度，ε0是空气的相对介电常数，Er是介质层的相对介电常数，L是MEMS桥长，A h是MEMS桥 向上的局度误差。
[0036] 所述步骤(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1615桥 >"和"down"两个工作状态下工作电压的调整量：
[0037] (7a)工作电压对MEMS桥高度的控制关系式如下所示：
[00；3 引
[0039] 式中，k是MEMS桥的弹性刚度，h是MEMS桥的理想高度，ε〇是空气的相对介电常数，W。 是中屯、导体宽度，Wb是桥宽度；
[0040] (7b)根据步骤(6b)中MEMS桥向上的高度误差值，因 MEMS桥"啡"工作状态下的理想 工作电压为零，故计算第i个MEMS桥"up"工作状态下工作电压的调整量如下：
[