Cu/15°YX-LiNbO3 SAW諧振器的橫向模抑制研究

肖 強(qiáng)，董加和，白 濤，陳彥光，陳尚權(quán)，李樺林，陳正林，馬晉毅(1. 模擬集成電路重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400060；. 中國電子科技集團(tuán)公司 第二十六研究所，重慶 400060)

0 引言

聲表面波(SAW)濾波器由于插損低，矩形度好，體積小和價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)而廣泛用于現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)中。近年來，隨著5G技術(shù)的發(fā)展，對SAW濾波器的帶寬提出了更高的要求[1-2]。K. Hashimoto等[3]首次提出15°YX-LiNbO3具有很強(qiáng)的壓電性，其機(jī)電耦合系數(shù)高達(dá)30%，是制作寬帶SAW濾波器的理想材料之一。然而，其強(qiáng)壓電性給SAW濾波器引入了大量由橫向模式激發(fā)導(dǎo)致的通帶波紋[4]，這些波紋的存在會增大器件插損，降低系統(tǒng)信噪比，引起信號失真。目前常用抑制橫向模的方法有叉指換能器 (IDT)加權(quán)法[5]和假指加權(quán)法[6]。IDT加權(quán)法會減小器件的有效激勵(lì)系數(shù)，導(dǎo)致器件損耗增大，而假指加權(quán)法難以完全消除寬通帶內(nèi)的橫向模。因此，本文引入Piston技術(shù)，將其應(yīng)用于Cu/15°YX-LiNbO3SAW諧振器的橫向模抑制，利用有限元仿真優(yōu)化指條末端尺寸，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其有效性，為Piston技術(shù)應(yīng)用于Cu/15°YX-LiNbO3寬帶SAW濾波器的橫向模抑制提供指導(dǎo)。

1 Piston技術(shù)

Piston技術(shù)由J. Kaitila等[7]提出并應(yīng)用于抑制體聲波(BAW)器件中橫向模的產(chǎn)生，M. Mayer等[8]將該技術(shù)應(yīng)用于SAW器件中，其原理為通過IDT指條末端加寬或加厚處理，在IDT末端形成速度“陷阱”，匯聚主模能量而發(fā)散橫向模能量，從而達(dá)到抑制橫向模的目的。Piston模式的典型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該結(jié)構(gòu)在孔徑方向(y方向)由波導(dǎo)區(qū)域、慢速區(qū)域和快速區(qū)域構(gòu)成，其中快速區(qū)域可能是Gap區(qū)域或匯流排區(qū)域，而慢速區(qū)域一般需要額外設(shè)計(jì)添加。3個(gè)區(qū)域的聲波速度滿足v2

(1)

式中：WS為慢速區(qū)域的長度；f為頻率；γ為各項(xiàng)異性因子；Δ2，Δ3分別為歸一化速度差，定義如下：

(2)

圖1 Piston模式的典型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖

2 仿真與實(shí)驗(yàn)

基于上述Piston技術(shù)開展Cu/15°YX-LiNbO3SAW諧振器的橫向模抑制優(yōu)化設(shè)計(jì)，待優(yōu)化的SAW諧振器結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 SAW諧振器的結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)SAW諧振器的結(jié)構(gòu)尺寸，利用COMSOL有限元軟件建立SAW諧振器的三維周期性有限元(FEM)仿真模型，如圖2所示。電極末端采用加寬(占空比0.692)的方法構(gòu)建聲波慢速區(qū)域，模型周圍圍繞一層完美匹配層(PML)，以消除聲波的邊界反射。

圖2 SAW諧振器的三維周期性有限元模型

通過施加周期性邊界條件，分別計(jì)算波導(dǎo)區(qū)域、慢速區(qū)域和快速區(qū)域的波速及各項(xiàng)異性因子，再根據(jù)式(1) 計(jì)算得到WS≈0.6λ(λ為波長)。在該長度附近分別計(jì)算SAW諧振器模型的導(dǎo)納曲線，計(jì)算結(jié)果表明，在WS≈0.65λ時(shí)，橫向模的抑制效果最佳。

采用Piston技術(shù)前后仿真得到的主模位移分布和導(dǎo)納實(shí)部曲線如圖3所示。由圖可看出，普通結(jié)構(gòu)的主模位移沿孔徑呈漸變分布，而Piston結(jié)構(gòu)的主模位移沿孔徑呈均勻分布。

圖3 仿真得到的主模位移分布和導(dǎo)納曲線

由圖3(b)可發(fā)現(xiàn)，采用Piston技術(shù)后，在頻率f<420 MHz時(shí)橫向模得到完全抑制;f=420 MHz時(shí)雜波模式幅值基本不發(fā)生變化。通過分析發(fā)現(xiàn)，該雜波模式為瑞利波雜波模式，在f>420 MHz時(shí)橫向模能得到一定程度的抑制，其原因是該范圍內(nèi)混合著主模和瑞利波的橫向模。

基于上述仿真結(jié)果分別制作了普通和Piston結(jié)構(gòu)的Cu/15°YX-LiNbO3SAW諧振器，其結(jié)構(gòu)參數(shù)與仿真參數(shù)一致，通過探針測試得到兩種不同結(jié)構(gòu)的歸一化導(dǎo)納曲線，并與仿真結(jié)果進(jìn)行了對比，如圖4所示。

圖4 兩種不同結(jié)構(gòu)的仿真與實(shí)測導(dǎo)納曲線

由圖4可看出，仿真導(dǎo)納曲線能精準(zhǔn)地預(yù)測主模與雜波模式出現(xiàn)的頻點(diǎn)位置，但其幅值存在一定差異，這是由于實(shí)際的SAW諧振器由有限個(gè)周期性單元組成，而仿真采用周期性邊界條件來模擬無限個(gè)周期單元的SAW諧振器響應(yīng)特性。在實(shí)際器件設(shè)計(jì)過程中，雜波出現(xiàn)的頻點(diǎn)位置和其相對幅值關(guān)注較多，因此，本仿真方法能有效地指導(dǎo)器件設(shè)計(jì)，特別是雜波抑制的設(shè)計(jì)。同時(shí)，由圖4還可看出，采用Piston結(jié)構(gòu)后，f<420 MHz時(shí)橫向模得到完全抑制;f>420 MHz時(shí)橫向模能得到一定程度的抑制，這證實(shí)了Piston技術(shù)抑制Cu/15°YX-Li-NbO3SAW諧振器中橫向模的有效性。

3 結(jié)束語

本文研究了基于Piston技術(shù)的Cu/15°YX- LiNbO3SAW諧振器橫向模抑制，通過指條末端加寬的方法，利用有限元法(FEM)優(yōu)化設(shè)計(jì)了慢速區(qū)域的結(jié)構(gòu)尺寸。仿真結(jié)果表明，慢速區(qū)域尺寸占空比為0.692，長度約為0.65λ時(shí)，主模附近的橫向模得到了完全抑制。通過制作普通和Piston結(jié)構(gòu)的SAW諧振器并進(jìn)行探針測試表明，實(shí)測與仿真結(jié)果吻合，證實(shí)了仿真方法的實(shí)用性和Piston技術(shù)抑制Cu/15°YX-LiNbO3SAW諧振器中橫向模的有效性。