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RF-MEMS开关动作时电磁特性分析的时域数值算法研究

批准号:
52107008
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
邵景晖
依托单位:
学科分类:
电磁场与电路
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
邵景晖

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
射频微机电系统(RF-MEMS)开关电磁特性分析的数值算法研究是MEMS计算机辅助分析和设计中的关键课题。RF-MEMS开关的日益快速化和集成化对算法的性能提出了更高的要求。本项目将开展RF-MEMS开关动作时电磁特性分析的时域数值算法研究:以Navier方程和Maxwell-Minkowski方程构建运动开关部件和电磁场相互作用的耦合模型;将时间和空间分阶段离散获得计算模型,使得空间离散误差和时间离散误差互不影响,总体误差易于控制;利用矩阵技术求解计算模型以保证算法的稳定性和高效性;对算法的计算复杂度,误差特性和数值稳定性进行分析;以稳态结果和实测结果对算法进行验证。本项目的研究工作一方面为RF-MEMS的分析设计提供高效可靠的数值仿真工具,节省产品的开发、测试和制造成本,推动MEMS产业发展;另一方面将对计算电磁学在更微观的空间尺度的发展起到推动作用,具有重要的学术价值和应用前景。
英文摘要
The research on numerical algorithm for analysis on electromagnetic characteristics of RF-MEMS switches is a key issue in computer-aided analysis and design of MEMS. With the ever-lasting development of the speed and integration of RF-MEMS switches, the higher-performance algorithm remains in demand. This project will carry out the research on time domain numerical algorithm for analysis on electromagnetic characteristics of operating RF-MEMS switches: build the coupling mathematical model of the interaction between moving switch components and electromagnetic field by using Navier equation and Maxwell Minkowski equation; discretize the time and space in separate stages to obtain the calculation model so that the space discrete error and time discrete error do not affect each other, rendering the overall error easy to control; utilize matrix exponential technique to solve the computation model to ensure the stability and efficiency of the algorithm; analyze the computational complexity, error characteristics and numerical stability of the algorithm; validate the developed algorithm via steady-state results and measured results. On one hand, the work of this project will provide an efficient and reliable numerical simulation tool for RF-MEMS analysis and design, saving the development cost of RF-MEMS switch products and therefore promoting the development of MEMS industry; on the other hand, it will promote the development of computational electromagnetics in the microscopic spatial scale, possessing important academic value and application prospects.
RF MEMS(射频微机电系统)开关作为现代无线通信、雷达等系统中的关键组件,其性能对整个系统的效能起着至关重要的作用。电磁分析是深入理解和优化RF MEMS开关性能的核心环节,而数值算法则是实现精确电磁分析的关键工具。本研究在综合对比各类算法的适用性和特点后,选用有限差分类和矩阵指数类算法结合,对MEMS开关动态过程的动态响应进行建模分析,开发有效和高效的数值计算方法。具体研究内容包括:1)矩阵指数类算法在面对RF-MEMS开关动作时进行电磁分析的适应性;2)针对电磁驱动接触式电容开关,采用Sigmoid电导率模型表征开关的快速开断过程并将矩阵指数算法和时域有限差分算法结合的模型求解和算法构建;3)针对静电驱动接触式电阻开关快速吸合过程中的电磁场演变规律,结合坐标变换、参数插值、矩阵指数算法和有限差分算法,设计有效的算法流程并进行对比验证研究;4)针对以上设计的算法进行算法特性研究。研究结果表明,矩阵指数类算法在求解RF-MEMS开关动态过程中的电磁问题时对比现有方法在计算速度和通用性上具有优势;对于电磁驱动接触式电容开关,采用Sigmoid电导率模型能够有效模拟开关的开断过程。在所提算法中引入自适应网格技术和矩阵指数和有限差分的时间步同步技术,保证了所提算法的有效性和高效性;对于具有悬臂梁结构的RF-MEMS开关动作时的电磁特性分析,在有限差分算法和矩阵指数算法的框架下,开发了基于坐标变换的时域方法,该方法通用性更好,算法流程更为简洁。依托本项目开发出的时域数值算法可以作为RF-MEMS开关动作过程电磁分析的高效工具,有望应用于电力信息领域和脉冲电源领域。
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