声表面波在二维压电声子晶体中的传播特性及其射频信号处理机理

面向雷达、通信、物联网、航空航天等应用领域中射频硬件技术制高点，基于微纳工艺的声表面波（SAW）二维压电声子晶体（PnC）突破传统一维声SAW、体波器件的性能瓶颈，既可实现更大宽带、更低功耗等传统特性，又能应用于射频隐身斗篷、射频左手材料、功能感知等全新领域。但是目前针对二维射频PnC中SAW的研究尚无相关的理论体系，包括传播特性分析理论、射频信号处理机理和相关实验验证方法。本项目拟通过有限差分时域法估计宽带范围的带隙分布，得到窄频带禁带范围；针对选定禁带，采用有限元方法精确分析射频信号处理机理，获得唯相等效耦合模参数；通过唯相参数构建理论与器件之间的分析模型"桥梁"；最后联合电/光学实验方法完成实验验证；建立包括理论、建模、实验紧密结合的二维射频PnC系统理论。本项目的开展既在未来射频硬件换代方面具有深远的战略意义，又在二维压电声波基础理论方面具有重大的科学价值。

声表面波器件由于其尺寸小、灵敏度高、无线无源等诸多优点，在射频信号处理方面占据重要地位。但是随着军民用领域射频技术快速的更新与换代，现有的声表面波器件射频处理技术仍不能满足其应用领域的要求。二维射频声子晶体相比于一维叉指换能器具有更丰富的带隙特征，因此将声表面波技术与二维声子晶体结合有希望制作出性能更为优异的声表面波器件。本项目对二维射频压电声子晶体进行了系统的研究，主要内容包括，首先，建立了二维压电声子晶体的二维时域有限差分（FDTD）模型，计算出了宽频带范围内的带隙分布，并探索了与其对应的带隙实验分析方法，与理论分析结果进行对比分析；其次，为进一步分析其性能，对二维压电声子晶体的唯相参数建立了三维有限元（FEM）精确计算模型，同时对此理论模型，设计了实验验证方案，进行了对比分析；最后，根据已经得到的带隙分布和唯相参数，进行了二维压电声子晶体谐振器、滤波器的理论分析与实验验证。通过对以上内容的研究得到，采用二维FDTD对铝/铌酸锂声子晶体计算得到了两段带隙分别为220MHz~228MHz和310MHz~395MHz，实验测试结果为194MHz~200MHz和245MHz~360MHz，与理论计算结果基本一致，但存在一定偏差，验证了二维FDTD的可行性，但为进一步精确分析，质量负载效应不可以忽略；进一步，三维FEM提取出了空气/铌酸锂声子晶体的唯相参数，与实验结果有很好的吻合，验证了三维有限元对其精确分析的可靠性；同时，设计的基于二维压电声子晶体的加权声波导具有选频选向特性，缺陷态滤波器具有很好的陷波作用。本项目的顺利完成，为二维射频压电声子晶体更好地应用到射频声表面波器件中奠定了理论基础，既在二维压电声波基础理论方面具有重大的科学价值，又在未来射频硬件换代方面具有深远的战略意义。