声表面波多模式耦合模型的研究

As the requirement of mobile communication radio frequency front end on filter raise increasingly, the key of precise design and production for low loss surface acoustic wave (SAW) filter is to build an accurate and efficient model to simulate the performance of devices..Due to the disadvantages of widely used coupling-of-mode (COM) model, the project proposes a novel and efficient model which can address the following three requirements: (1) to simulate the coupling between multi-mode precisely; 2) to describe the propagation of SAW in lateral waveguide accurately; (3) to analyze the modes coupling and conversion in depth direction exactly. Compared with the COM model, this proposed model can accurately describe the sudden increase of leaky SAW’s attenuation for frequency above the center frequency on 36º-42ºYX-LiTaO3 substrate material. Besides, the model can be used for analyzing the excitation mechanism of Piston mode, which is a widely used in the transverse mode suppression of temperature-compensated SAW resonators. Additionally, the model can also be used to suppress the transverse mode and Rayleigh SAW simultaneously for 15ºYX-LiNbO3 substrate. Finally, the model can be used to analyze the bulk wave radiation and mode conversion in layered structure. All these methods are urgently demanded for the design of high performance SAW filters.

随着移动通信射频前端对滤波器要求的日益严苛，低损耗声表面波滤波器精细化设计与制备的关键是建立对器件性能进行精确快速仿真的模型。. 针对广泛使用的耦合模模型的不足，本课题提出新型的快速模型解决以下三方面的需求：（1）准确模拟多模式并存并相互耦合；（2）准确地描述声波在横向波导上的传播；（3）准确描述深度方向的模式耦合和模式转换。利用该模型可以更准确地描述36º-42ºLiTaO3体材料上漏表面波在频率略高于中心频率处衰减陡增的现象，获得比COM模型更准确的结果；可以分析抑制横向模的波导结构中Piston模式的激发机理，用于温度补偿型器件横向模抑制的优化设计；可以实现15ºYX-LiNbO3上高机电耦合系数谐振器的横向模与杂散模的协同抑制；可以分析层状结构中的体波辐射以及模式转换，这些都是近期高性能SAW滤波器设计技术最前沿所面临的困难。

随着移动通信技术水平的日益提高，通信频带数量也急剧增加，这使得频带之间变得十分拥挤。为避免频带之间的相互干扰，声表面波(Surface Acoustic Wave, SAW)滤波器频域特性应具有陡峭的过渡带及较高的带外抑制。影响当前声表面波谐振器性能的因素主要有：横向(孔径方向)模式，横向能量泄露及波束偏向造成的能量损失，它们对横向波导的设计有严格的要求。高性能声表面波谐振器精细化设计与制备的关键是建立对器件性能进行精确快速的仿真模型和高效的优化算法。本研究从压电本构方程出发，设定合理简化假设，建立可唯象地描述声表面波传播时在纵向与横向存在多模式耦合的模型，并给出适当的模型参数提取算法；将上述模型应用于研究Piston模式波导结构，探究结构参数对Piston模式抑制横向模式效果的影响，为器件优化提供方法；利用模型研究周期栅格边界条件下声表面波能流角的估算，提出了基于栅格阵边界条件的杂模抑制方式，美国IntelliSAW公司已经将该理论用于器件优化设计。.在谐振器应用中，环境条件的变动不可避免，而射频滤波器的响应会随着外界物理场变化发生漂移；甚至滤波器本身就存在非线性效应。随着通信频带数量增加、频段之间愈发拥挤，管理谐振器的频率漂移与非线性响应便显得尤为重要。本项目基于微扰理论提出了偏载场作用下的SAW谐振器多场耦合非线性模型，并借助有限元弱形式进行求解，为分析SAW器件的敏感机理、分析功率非线性、指导温度补偿型谐振器设计奠定了重要的理论基础。基于该模型，本课题组准确预测了TC(Temperature Compensated)-SAW谐振器、石英谐振器、IHP(Incredible High Performance)-SAW谐振器与SAW压力传感器的频率偏移特性；准确计算了TC-SAW器件的二阶谐波响应与三阶谐波响应，剖析了非线性效应的产生机理；将Love波磁场传感器的磁致伸缩效应与ΔE效应通向叠加，提高了传感器灵敏度，同时通过优化结构参数将TCF(Temperature Coefficient of Frequency)降低至0.1ppm/℃