基于纵漏表面波的高频声表面波谐振器研究_张淑娥.pdf

2022年第46卷第12期122器 件 与 应 用器 件 与 应 用arts and ApplicationsP文献引用格式：张淑娥，邸继伟.基于纵漏表面波的高频声表面波谐振器研究 J.电声技术，2022，46（12）：122-126.ZHANG S E，DI J W.Study on high frequency SAW resonator based on longitudinal leaky SAWJ.Audio Engineering，2022，46（12）：122-126.中图分类号：TN912.2 文献标识码：A DOI：10.16311/j.audioe.2022.12.030基于纵漏表面波的高频声表面波谐振器研究张淑娥1，2，3，邸继伟1*（1.华北电力大学 电子与通信工程系，河北 保定 071003；2.华北电力大学河北省电力物联网技术重点实验室，河北 保定 071003；3.华北电力大学保定市光纤传感与光通信技术重点实验室，河北 保定 071003）摘要：移动通信网络的发展使得声表面波（SurfaceAcousticWave，SAW）滤波需要更高的频率和更大的带宽。更高的频率使得传统瑞利波（RayleighSAW，RSAW）器件需要更小尺寸，带来制造技术的难题。因此，采用更高波速的纵漏表面波（LongitudinalLeakySAW，LLSAW）进行高频 SAW 滤波器的设计。实验表明，相同条件下，LLSAW 模式获得达 RSAW 模式 1.8倍的频率，同时也有更高的带宽。还研究了改变质量负载的电极金属化率与厚度对器件工作频率和带宽的影响，结果表明电极金属化率和厚度的增加会降低中心频率，但金属化率过小也会使中心频率下降。同时带宽会受金属化率的影响，而几乎不随电极厚度变化。关键词：纵漏表面波（LLSAW）；声表面波谐振器；金属化率；电极厚度；质量负载Study on High Frequency SAW Resonator Based on Longitudinal Leaky SAWZHANG Shue1,2,3,DI Jiwei1*(1.Department of Electronic and Communication Engineering,North China Electric Power University,Baoding 071003,China;2.Hebei Power Internet of Things Technology Key Laboratory,North China Electric Power University,Baoding 071003,China;3.Baoding Key Laboratory of Optical Fiber Sensing and Optical Communication Technology,North China Electric Power University,Baoding 071003,China)Abstract:The development of mobile communication network makes Surface Acoustic Wave(SAW)filter need higher frequency and larger bandwidth,and the higher frequency makes the traditional Rayleigh SAW device need smaller size,which brings difficulties in manufacturing technology.Therefore,the Longitudinal Leaky SAW(LLSAW)with higher wave speed is adopted to design the high-frequency SAW filter.The experiment shows that under the same conditions,the LLSAW mode can achieve 1.8 times the center frequency of the RSAW mode,and also has higher bandwidth.The influence of the electrode metallization rate and thickness of the mass load on the operating frequency and bandwidth of the device is also studied.It is shown that the increase of electrode metallization rate and thickness will reduce the central frequency,but too small metallization rate will also reduce the central frequency.Meanwhile,the bandwidth will be affected by the metallization rate,but hardly with the electrode thickness.Keywords:Longitudinal Leaky Surface Acoustic Wave(LLSAW);surface acoustic wave resonator;metallization rate;electrode thickness;mass load0 引 言移动通信网络向着高频段发展，使得声表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）滤波器需要更高的工作频率和更大带宽。更高频率使得传统低波 速（3 000 4 000 ms-1）的 瑞 利 波（Rayleigh SAW，RSAW）器件需要更小的尺寸，因而提高了作者简介：张淑娥（1964），女，硕士，副教授，研究方向为微波技术、光纤通信。通信作者：邸继伟（1997），男，硕士，研究方向为声表面波器件。E-mail：。2022年第46卷第12期123Parts and ApplicationS器 件 与 应 用器 件 与 应 用对光刻技术的要求。同时，由于 SAW 器件应用压电效应，极小尺寸的叉指电极经过长时间的振动可能会出现不可恢复的形变，甚至发生叉指断裂，缩短器件的使用寿命。这是应用 RSAW 进行高频SAW 滤波器设计不可避免的问题。而纵漏表面波（Longitudinal Leaky SAW，LLSAW）达到 RSAW 两倍的波速带来的更大波长就成为缓解器件尺寸压力的关键1-3。比如在 LiNbO3中，LLSAW 的速度超过 6 000 ms-1。本文对 YZ-LiNbO3中的 RSAW与 LLSAW 模式进行研究对比，凸显出 LLSAW 在高频 SAW 滤波器设计中的优势。之后分析了改变电极质量负载的电极厚度和电极金属化率对 LLSAW谐振器的影响，指导基于纵漏表面波的高频声表面波滤波器的设计。1 LLSAW 模式在高频的优势1.1 周期结构模型的建立本文使用多物理场仿真软件 COMSOL 进行研究分析，建立周期结构模型来进行 RSAW 模式的研究。在建模中，压电基片采用 YZ-LiNbO3，叉指电极采用金属铝，材料属性由软件材料库添加。建立了以 YZ-LiNbO3为压电基片，金属 Al 为电极的周期性结构模型，如图 1 所示，周期结构长度设置为=4 m。zyxO图 1 周期结构三维模型示意图添加材料属性后，对模型添加物理场和边界条件，主要分为固体力学物理场和静电物理场两部分。固体力学物理场，边界条件是基底材料的前后、左右面分别采用周期性边界条件，底面边界设置为固定约束。此模型中，电极材料默认为理想导体。静电物理场中选择压电材料部分，边界条件为基底材料的前后、左右面分别采用周期性边界条件，模型采用一对叉指电极，分别采用接地条件和终端条件，设置 1 V 电压。下面需要对模型进行网格划分。网格划分需要综合考虑结果的精准度和仿真计算时间。此模型中，叉指部分及与叉指较近的基片部分网格划分细化，基底由上到下网格逐渐稀疏，以达到在得到足够精确结果的前提下尽量减少运行时间。1.2 YZ-LiNbO3中的 LLSAW 模式LLSAW 的位移会沿深度持续衰减，并一直存在一些位移分量，甚至在约 40 个波长的深度的模型底部附近也会存在微小位移。LLSAW 在 LiNbO3和 LiTaO3基片上传播时，基片顶部的厚电极（如 Al达到 8%）可以很有效地将 LLSAW 捕获到压电基片表面并减少衰减。同时，在 YZ-LiNbO3中使用LLSAW，可以有效减少声表面波滤波器中非线性谐波的产生问题4。因此，为了更好地捕获 LLSAW模式，电极厚度设计为波长的 8%，即 h=0.32 m，压电基片 LiNbO3的厚度为 40 个波长。对共振频率（位移最大）进行分析，相对于深度绘制沿 X（传播）和 Z（深度）方向的位移，得到的位移结果如图 2 所示。可以看出，Z 方向位移分量在基片顶部附近占主导地位并迅速下降（但不为零），而与它相比，X 方向位移分量更小，而且在模型的整个深度范围内都存在位移，图 2 中显示了四个波长的位移曲线。而由于 LLSAW 的性质，直到模型的整个深度，位移分量才会逐渐消失。位移分析完成后进行频域研究，得到的导纳结果如图 3 所示。分析结果显示了 1 535 MHz 处的谐振峰值和 1 600 MHz 处的反谐振。归一化位移-10258147369x 方向z 方向0-0.5-1.0-1.5-2.0-2.5-3.0-3.5-4.0深度（对波长归一化）图 2 LLSAW 位移随深度的变化2022年第46卷第12期124器 件 与 应 用器 件 与 应 用arts and ApplicationsP1.501.581.541.621.521.601.561.64频率/GHz10010-110-210-310-4导纳/s图 3 LLSAW 的导纳结果840880860900850890870频率/GHz10010-110-210-310-4导纳/s图 4 RSAW 的导纳结果根据中心频率可以计算出这些 LLSAW 的速度在 YZ-LiNbO3上约为 6 150 ms-1。而同一基片上的 RSAW 得到的导纳结果如图 4 所示。图 4显示了 866 MHz 的谐振频率和 875 MHz 处的反谐振频率，计算的波速约为 3 488 ms-1。因此，当LLSAW 模式作为谐振模式时，可以使用相同的基片以相同的设计获得高达 1.8 倍的频率。LLSAW模式的另一个特点是比其他模式具有更高的相对带宽，可以使用公式计算：raaffWf=（1）式中：fa是谐振频率，fr是反谐振频率。因此，可得建模的 LLSAW 谐振器的相对带宽计算为 0.042 3。对于前面类似设计的 RSAW 谐振器，其 fa=866 MHz，fr=875 MHz，可以计算得到相对带宽为 0.010 4。凭借高速度和带宽的优势，LLSAW 模式在设计宽带宽高频滤波器时具有非常大的作用。2 LLSAW 谐振器研究2.1 谐振器模型建立针对基于 LLSAW 进行高频 SAW 滤波器设计的具体问题，由于 SAW 滤波器的基本单元就是单端口谐振器，因此本文针对单端口谐振器进行分析以指导 SAW 滤波器设计。结合一些宽带声表面波谐振器设计方法与 TSENG 等人发表的用于 5G 载波聚合的 SAW 滤波器设计方法5设计了谐振器。波长设置为 4 m，孔径为 64 m，叉指电极金属化率为 0.5，电极的厚度取 h/=8%，h=0.32 m，叉指电极数目为 151，每边反射栅数目为 37。如果建立三维模型来分析谐振器，上百根叉指电极和反射栅将会对运算