基于分层级联技术的梯形声表面波滤波器正向设计_赵雪梅.pdf

第4 5卷第1期压 电 与 声 光V o l.4 5N o.12 0 2 3年2月P I E Z O E L E C T R I C S&A C OU S T O O P T I C SF e b.2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-0 8-1 9 作者简介:赵雪梅(1 9 6 9-),女,重庆市人,高级工程师,主要从事微声工艺技术研究。文章编号:1 0 0 4-2 4 7 4(2 0 2 3)0 1-0 0 0 1-0 5D O I:1 0.1 1 9 7 7/j.i s s n.1 0 0 4-2 4 7 4.2 0 2 3.0 1.0 0 1基于分层级联技术的梯形声表面波滤波器正向设计赵雪梅1,郑泽渔1,白 涛1,贺 贞1,谢 晓1,谭 瑞1,肖 强1,2,陈正林1,2,马晋毅1(1.中国电子科技集团公司第二十六研究所,重庆4 0 0 0 6 0;2.模拟集成电路国家重点实验室,重庆4 0 0 0 6 0)摘 要:针对任意复杂拓扑结构的梯形声表面波(S AW)滤波器的精确快速设计问题,基于声/电/磁多物理场耦合全波仿真平台,结合基因遗传优化算法和通用图形处理器(G P G P U)加速技术,利用有限元分层级联精确模型(HC T)代替C OM模型进行S AW滤波器的设计与优化,计算速度和优化速度与C OM模型相当。通过4 2 Y-XL i T a O3常规S AW滤波器的优化设计与研制,插入损耗为0.6 7d B,2d B相对带宽为3.8 5%,验证了该方法的有效性和可行性。关键词:S AW滤波器;全波仿真;分层级联;遗传算法中图分类号:T N 6 5;TN 7 1 3 文献标志码:A F o r w a r dD e s i g no fL a d d e rS u r f a c eA c o u s t i cW a v eF i l t e rB a s e do nH i e r a r c h i c a lC a s c a d i n gT e c h n i q u eZ H A OX u e m e i1,Z H E N GZ e y u1,B A IT a o1,H EZ h e n1,X I EX i a o1,T A NR u i1,X I A OQ i a n g1,2,C H E NZ h e n g l i n1,2,MAJ i n y i1(1.T h e2 6 t hI n s t i t u t eo fC h i n aE l e c t r o n i c sT e c h n o l o g yG r o u pC o r p o r a t i o n,C h o n g q i n g4 0 0 0 6 0,C h i n a;2.S c i e n c ea n dT e c h n o l o g yo nA n a l o gI n t e g r a t e dC i r c u i tL a b o r a t o r y,C h o n g q i n g4 0 0 0 6 0,C h i n a)A b s t r a c t:I nv i e wo fa c c u r a t ea n df a s td e s i g no f l a d d e rs u r f a c ea c o u s t i cw a v e(S AW)f i l t e rw i t ha r b i t r a r ya n dc o m p l e xt o p o l o g y,b a s e do na c o u s t i c/e l e c t r i c a l/m a g n e t i cm u l t i-p h y s i c a l f i e l dc o u p l i n gf u l l-w a v es i m u l a t i o np l a t f o r ma n dc o m b i n e dw i t hg e n e t i co p t i m i z a t i o na l g o r i t h ma n dg e n e r a l g r a p h i c sp r o c e s s o r(G P G P U)a c c e l e r a t i o nt e c h n o l o g y,t h eh i e r a r c h i c a l c a s c a d ee x a c tm o d e l(HC T)i su s e dt or e p l a c eC OM m o d e l f o rt h ed e s i g na n do p t i m i z a t i o no fS AWf i l t e r.T h e c a l c u l a t i o na n do p t i m i z a t i o ns p e e da r e c o m p a r a b l ew i t h t h a t o fC OM m o d e l.T h eo p t i m i z e dd e s i g na n dd e-v e l o p m e n to f 4 2 Y-XL i T a O3c o n v e n t i o n a lS AWf i l t e rw i t hi n s e r t i o nl o s so f 0.6 7d Ba n d2d Bf r a c t i o n a lb a n d w i d t ho f 3.8 5%v e r i f i e s t h ee f f e c t i v e n e s sa n df e a s i b i l i t yt h ep r o p o s e dm e t h o d.K e yw o r d s:S AWd e v i c e;f u l l-w a v es i m u l a t i o n;h i e r a r c h i c a l c a s c a d e;g e n e t i ca l g o r i t h m 0 引言梯形声表面波(S AW)滤波器因低插损、易制备、低成本及较好的功率耐受性等优势而被广泛应用于无线通信领域1-3。随着5 G高速移动通讯系统对S AW滤波器的低损耗、高频率、大带宽等性能的需求,各种复杂拓扑结构衬底的梯形S AW滤波器不断涌现4。然而,复杂层状结构衬底的S AW器件呈现出更复杂的声学特性和电学特性,传统的S AW滤波器设计方法C OM模型不能较好地仿真S AW器件真实的声学特性和电学特性,所以需要开发能够应用于任意复杂结构的梯形S AW滤波器设计方法。滤波器设计模型包括精确理论模型和唯象模型5-6。其中唯象模型C OM理论是应用较广泛的模型,在S AW滤波器设计时需要提取C OM参量,提取的方法大体分为两种:理论方法和实验方法。理论方法包括微扰理论7、变分法8、有限元法9等,便于对S AW谐振器提取C OM参数,缺点是C OM参数无法直接与工艺、材料相联系,优化设计的S AW滤波器与实际器件往往存在带宽、损耗的差异。实验方法提取C OM参量,其优点在于提取的C OM参量可直接与工艺、材料相联系,较好地仿真了滤波器的带宽、损耗,但其成本高昂、费时费力,且C OM参量会随金属化比、电极厚度等因素变化,因此,实验方法提取C OM参量不单是一个实验就能解决。另外,C OM理论模型实质上是唯象模型,对主模声波存在的寄生波和横向杂波无法表征,所以无法精确仿真S AW滤波器通带内存在的杂波,仿真结果与器件实测结果阻带存在较大差异1 0-1 2。精确 理 论 模 型 包 括 有 限 元 法/边 界 元 法(F EM/B EM)1 3、有限元/谱元法(F EM/S D A)1 4、分层级联技 术(HC T)1 5、有 限 元(F EM)1 6等,可 实 现S AW器件精确仿真和计算,能较好地表征S AW滤波器通带和阻带特性,但其计算速度无法直接用于S AW器 件 正 向 设 计 与 优 化,且F EM/B EM和F EM/S D A方法并不适用于高效处理任意复杂边界条件下S AW滤波器的精确计算1 7。本文在H F S S软件中构建封装结构,计算其封装结 构 上 的 电 磁 寄 生 效 应,利 用 分 层 级 联 模 型(G P U-HC T模型)代替传统C OM模型,作为梯形S AW滤波器声/电性能计算核心。基于自主研发的多物理场耦合全波仿真平台(S AWD e s i g nP l a t-f o r m),结合基因遗传优化算法和通用图形处理器(G P G P U)加速技术,进行梯形S AW滤波器的设计与优化,其计算速度和优化速度与C OM模型相当。最后通过4 2 Y-XL i T a O3衬底设计、优化并制备L波段梯形S AW滤波器,设计优化结果与实验结果吻合较好,为梯形S AW滤波器的设计与优化提供了新的设计方法。1 分层级联理论图1为有限长结构分层级联单元示意图。图1(a)为S AW器件单个电极的单元模型示意图。图1(b)为分层级联单元块有限元网格示意图,结合实际工艺情况,将电极的倾斜形貌考虑在内,其中XL、XI、XR分别为单指结构有限元模型的左边界自由度、内部自由度、右边界自由度(分别包括位移和电势自由度)。根据级联单元左右边界力学量和电学量的连续性原理1 8,将2个或2个以上的单指单元级联成完整的S AW结构,如图1(c)所示。图1 有限长结构分层级联示意图基于压电本构方程、位移方程及其边界条件,建立S AW器件物理模型。当压电耦合趋于0时,位移u和电场强度E的耦合波动方程以张量形式1 9表示为scs u+se=u(1)-+esu=0(2)式中:c为材料弹性常数;e为压电应力常数;为电荷密度;为介电常数;为电势。有限元分层级联算法技术的核心思想是充分利用S AW器件结构的周期性特点,根据级联单元左右边界力学量和电学量的连续性原理,实现基本单元的连续级联过程来模拟整个结构。有限长结构S AW器件分层级联单元的系统方程1 5,1 9为C1 1+BP MLLC1 2C1 3dTCE2 1CE2 2+BPMLRC2 3dTdC3 1dC3 2dC3 3dTXLXRVr e f=-C1 3C2 3dC3 3V(3)式中:C矩阵为压缩后的系统矩阵;BP MLL为声波传播方向上设置在左边的完美匹配层B矩阵;BPMLR为声波传播方向上设置在右边的完美匹配层B矩阵;d为1N阶的单元矩阵,N为电极边缘处的电压自由度数;Vr e f为参 考电压;V为电极边 缘 处 的 电压值。分层级联算法采用有限元降阶技术和G P G P U加速技术相结合,即保持了有限元的灵活性,同时降低了内存需求,提高了计算速度。因此,有限元分层级联技术允许模拟具有任意复杂结构的S AW器件,基于全波仿真平台和生物智能优化算法可实现S AW器件的优化设计。2 S AW器件膜系结构分析采用G P U-HC T模型进行滤波器优化设计之2压 电 与 声 光2 0 2 3年 前,需要根据设计指标确定膜系结构相应参数,如压电材料及选型、金属电极材料、金属化比膜厚等参数,以求使设计的滤波器性能达到最优。本文的S AW滤波器设计参数如表1所示,根据项 目 指 标 选 择4 2 Y-XL i T a O3作 为 压 电 材 料 衬底,A l作为电极。为了满足S AW器件全温工作条件和考虑工艺余量,将项目指标中的-2d B带宽设计为6 7 MH z(T C F值参考文献2 0),带外抑制(f05 0MH z)1 5设计为带外抑制(f04 5MH z)1 6。表1 主要技术指标指标指标要求设计指标中心频率fc/MH z17 4 617 4 6-2d B带宽/MH z5 86 7插入损耗/d B22带外抑制/d B1 5(f05 0MH z)1 6(f04 5MH z