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变形时域建模仿真理论及其在微机械天线中的应用

余文革  
【摘要】:微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)技术的迅猛发展,大大地促进了现代射频微电子系统(Radio Frequency Micro-Electronic-Mechanical System,RF-MEMS)的微型化、集成化和智能化。目前,RF-MEMS技术已成为众多学者研究的热点,有广阔的应用领域和市场。 采用微机械技术研制的RF-MEMS天线是RF-MEMS系统的关键器件之一,其小型化、宽带化、多频段、智能化、集成化等成为必然趋势。为此,天线的结构及其所处的电磁环境越来越复杂,传统的一些理论分析方法已显得无能为力,必须借助先进的时域建模仿真理论。在国家重点基础研究发展规划项目(“973”项目—《集成微光机电系统研究》)子课题“微米尺度射频元件相关问题研究”(G1999033105)的资助下,本文深入地研究了微机械时域建模仿真理论,首次将研究得到的新型时域电磁场仿真理论用于微机械贴片天线的建模仿真分析,节约CPU时间或计算机存储量达60%以上;设计和研制了小型化、宽带化及双频工作特性的新型微机械天线;论文在时域建模仿真理论及微机械天线特性参数优化上取得了创新性进展,具有重要的理论意义和实用价值。 基于矩阵论建立了时域有限差分法及其高阶算法(FDTD(m,n))的统一理论体系,并对其稳定性条件、数值计算精确性、色散关系、吸收边界条件等进行了系统深入的研究;首次推导出FDTD(4,4)的稳定性条件;研究了变形时域有限差分法(ADI-FDTD(m,n)及MRTD);首次将时间、空间二阶精度的ADI-FDTD(2,2)算法推广到时间、空间均具有四阶精度的ADI-FDTD(4,4);证明了该算法仍然具有无条件稳定性,在满足计算精度要求的条件下,时间步长可随意选取,节约2/3的CPU计算时间,提高了计算效率;解决了传统时域有限差分法不能适用于十分细薄物体的建模仿真难题;首次推导了同时基于尺度函数和小波函数展开场分量的PML(Perfectly Match Layer)媒质中的多分辨时域分析方法(MRTD)的迭代公式;将ADI技术引入PML媒质中的MRTD方法,并首次推出了PML媒质中的ADI-MRTD算法公式;将时域电磁场建模仿真理论应用于新型微机械天线的模拟仿真,显示出了新算法的优越性,不仅提高了传统FDTD算法模拟复杂结构的能力,而且为将此时域算法应用于其它MEMS器件的建模仿真奠定了基础,进而扩大了FDTD算法的应用范围,相对于传统的MEMS仿真算法而言,有效地节约了计算机资源。 通过添加短路探针、短路墙、附加微带线或寄生贴片、采用层叠结构、光子带隙或槽隙加载等方法设计和研制新型微机械天线,这些新型微机械天线成功地实现了天线的小型化、宽带化或双频段工作特性。新设计的双频微机械天线带宽 重庆大学博士学位论文 最大可达23%,天线最小尺寸仅为兄/16,为传统半波天线的1/8倍。通过对微机 械天线的实验研究,给出了微机械天线散射参数、阻抗、谐振频率、辐射方向图、 功率、效率及增益等的测量方法及测量过程中误差控制及调校方法。对近年来发 展迅速的时域近场测量进行了研究,阐述了时域近场测量对微尺度下RF一MEMS 天线测量的重要性。对微机械天线建模近似误差及制造过程中产生的误差等进行 了分析,提出了减小或消除该类误差的方法。 本论文对传统时域有限差分法理论及微尺度下微机械天线的辐射和藕合理 论、微型化、宽带化及多频段工作等方面的完善和创新,为研制更高功能密度及 集成度的微机械天线奠定了坚实的基础,并为最终实现单芯片无线收发系统创造 了有利条件。 关键词:射频微机电系统,时域有限差分法,交替隐格式时域有限差分法, 多分辨时域方法,微机械天线,特性参数


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