肖 強，董加和，白 濤，陳彥光，陳尚權，李樺林，陳正林，馬晉毅(1. 模擬集成電路重點實驗室，重慶 400060；. 中國電子科技集團公司 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，體積小和價格低等優(yōu)點而廣泛用于現代移動通信系統(tǒng)中。近年來，隨著5G技術的發(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具有很強的壓電性，其機電耦合系數高達30%，是制作寬帶SAW濾波器的理想材料之一。然而，其強壓電性給SAW濾波器引入了大量由橫向模式激發(fā)導致的通帶波紋[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)加權法[5]和假指加權法[6]。IDT加權法會減小器件的有效激勵系數，導致器件損耗增大，而假指加權法難以完全消除寬通帶內的橫向模。因此，本文引入Piston技術，將其應用于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，并通過實驗驗證其有效性，為Piston技術應用于Cu/15°YX-LiNbO3寬帶SAW濾波器的橫向模抑制提供指導。

1 Piston技術

Piston技術由J. Kaitila等[7]提出并應用于抑制體聲波(BAW)器件中橫向模的產生，M. Mayer等[8]將該技術應用于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，從而達到抑制橫向模的目的。Piston模式的典型波導結構如圖1所示。該結構在孔徑方向(y方向)由波導區(qū)域、慢速區(qū)域和快速區(qū)域構成，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)域一般需要額外設計添加。3個區(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模式的典型波導結構圖

2 仿真與實驗

基于上述Piston技術開展Cu/15°YX-LiNbO3SAW諧振器的橫向模抑制優(yōu)化設計，待優(yōu)化的SAW諧振器結構參數如表1所示。

表1 SAW諧振器的結構參數

根據SAW諧振器的結構尺寸，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，分別計算波導區(qū)域、慢速區(qū)域和快速區(qū)域的波速及各項異性因子，再根據式(1) 計算得到WS≈0.6λ(λ為波長)。在該長度附近分別計算SAW諧振器模型的導納曲線，計算結果表明，在WS≈0.65λ時，橫向模的抑制效果最佳。

采用Piston技術前后仿真得到的主模位移分布和導納實部曲線如圖3所示。由圖可看出，普通結構的主模位移沿孔徑呈漸變分布，而Piston結構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納曲線

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

基于上述仿真結果分別制作了普通和Piston結構的Cu/15°YX-LiNbO3SAW諧振器，其結構參數與仿真參數一致，通過探針測試得到兩種不同結構的歸一化導納曲線，并與仿真結果進行了對比，如圖4所示。

圖4 兩種不同結構的仿真與實測導納曲線

由圖4可看出，仿真導納曲線能精準地預測主模與雜波模式出現的頻點位置，但其幅值存在一定差異，這是由于實際的SAW諧振器由有限個周期性單元組成，而仿真采用周期性邊界條件來模擬無限個周期單元的SAW諧振器響應特性。在實際器件設計過程中，雜波出現的頻點位置和其相對幅值關注較多，因此，本仿真方法能有效地指導器件設計，特別是雜波抑制的設計。同時，由圖4還可看出，采用Piston結構后，f<420 MHz時橫向模得到完全抑制;f>420 MHz時橫向模能得到一定程度的抑制，這證實了Piston技術抑制Cu/15°YX-Li-NbO3SAW諧振器中橫向模的有效性。

3 結束語

本文研究了基于Piston技術的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)化設計了慢速區(qū)域的結構尺寸。仿真結果表明，慢速區(qū)域尺寸占空比為0.692，長度約為0.65λ時，主模附近的橫向模得到了完全抑制。通過制作普通和Piston結構的SAW諧振器并進行探針測試表明，實測與仿真結果吻合，證實了仿真方法的實用性和Piston技術抑制Cu/15°YX-LiNbO3SAW諧振器中橫向模的有效性。