声表面波器件性能及非线性研究

发布时间：2020-09-17 18:44

　　利用声表面波来传递和处理信号的技术称为声表面波技术。声表面波器件因结构简单、体积小、质量轻、频率选择性强等诸多优点,已经被广泛用于现代通讯系统、移动电话、电视、广播、雷达等各个领域,在国民经济和国防建设中发挥着及其重要的作用。5G技术的发展对声表面波器件的性能提出了更高的要求。许多国家都在投入大量的人力、物力、财力发展高性能的声表面波器件。尽管我国对声表面波器件的理论研究还不算晚,但是高性能声表面波器件的技术和市场仍然被发达国家垄断,因此对声表面波器件的研究仍具有十分重要的意义。本文围绕声表面波的特性,重点研究声表面波器件的计算方法、关键参数的获取、温度对声表面波器件性能的影响和声表面波器件产生非线性行为的机理。具体包括:首先分析比较了声表面波器件的计算方法:δ函数模型、脉冲函数模型、等效电路模型(ECM)、耦合模理论(COM)、P矩阵法和有限元方法等。计算和讨论了表征声表面波的基本特征和器件性能的参量,如频率响应、阻抗特性和插入损耗等。这些研究有助于直观了解声表面波器件的基本特性,也为后续研究奠定了基础。提出了一种通过数值计算获得COM参数的方法。该方法巧妙地利用有限元方法和P矩阵方法的内在联系,建立COM参数和有限元结果之间的关系,然后获得COM参数。该方法简单灵活、适用范围广、结果精确、计算量小。有了参数,COM方法可以用于计算复杂的表面波结构与器件。利用COM理论研究了声表面波器件,对单端谐振器,双端滤波器,反射栅、三端滤波器等声表面波器件的频率响应特性进行了研究。通过计算和分析,阐明了模型参数对声表面波器件性能的影响规律。研究结果可为声表面波器件设计提供理论指导。采用增量型的拉格朗日方程,建立了研究温度引起频率漂移的压电控制方程。以铌酸锂(LiNbO_3)、氮化铝(AlN)和石英(SiO_2)三种压电材料为例,采用有限元方法研究了声表面波器件的频率-温度行为。建立了一个具有较低频率-温度系数的双层表面波谐振器有限元模型,详细研究了谐振器的频率-温度行为,并对表面波层厚度进行了优化。随着器件的频率越来越高,温度对器件性能的影响也越来越严重。因此这些研究结果对提高声表面波器件的性能具有重要意义。从能量方程出发,研究了三阶弹性常数、三阶压电常数和三阶介电常数的定义和属性,计算出七大晶系中32种点群晶体的独立材料常数分量和非独立材料常数分量之间的关系。这些三阶材料常数对描述声表面波非线性行为起到极其重要的作用。基于非线性压电方程,推导了二次超谐波效应的控制方程。建立了有限元模型,计算和分析了二次超谐波效应,揭示了声表面波器件非线性行为的产生机理。这些研究将有助于解决由于非线性效应导致的声表面波器件信号失真的问题。总而言之,本文重点研究和解决了以下几个关键问题:COM参数的获得,声表面波器件的计算和分析,温度效应、三阶材料常数及声表面波的二次超谐波效应。通过建立理论模型和有限元模型,开展与声表面波相关的研究工作。研究成果对声表面波器件的研究和应用具有重要的理论意义和工程价值。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN65
【部分图文】：

示意图,弹性体,表面,示意图

和垂直于弹性体表面（x3轴），而沿 x2轴方向上的位移为 0，如图1-2 所示。但是这两个分量在一定时间范围内的相位相差 90°，因此一个分量最大时，另一个分量为零，同时晶体结构在 x3方向无限制，振动更加容易，因此 x3轴方向上的位移振幅比 x1轴方向上要大，质点的轨迹是一个椭圆。此外，质点位移的振动随着厚度方向呈指数衰减，弹性表面波的能量主要集中在表面下 1~2 个波长范围内，这种波称为瑞利波[8]。本文也主要讨论瑞利波。pW叉指电极压电材料基底aW：孔径 a：指宽 p：半周期压电基底叉指电极

示意图,激励方式,弹性体

(c) 叉指电极结构(b)叉指换能器图 1-1 SAW 激励方式，求解非压电材料表面质点的运动方程，得到质点的运动图 1-2 弹性体表面质点的运动示意图限弹性体表面传播时，质点的位移只有两个分量，平行于和垂直于弹性体表面（x3轴），而沿 x2轴方向上的位移为

示意图,基本结构,示意图,金属化率

2 声表面波的基本计算方法算方法众多，包括 δ 函数模型，脉冲函合模模型（COM）和有限元方法等。波器件的有关基本特性。同时也将介绍后续章节的讨论奠定了理论基础。的频率响应电材料上敷上金属叉指电极（IDT），器孔径，a 为电极宽度，p 为指间距，金属化率 =0.5 时的 IDT 称为均匀换，本论文中的均表示叉指周期），激

【参考文献】