论文部分内容阅读
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。