SAW devices on frequency harmonics. Features of calculation of SAW parameters by the finite element method

Capa

Citar

Texto integral

Resumo

Background and Objectives: Acoustoelectronic devices (filters, delay lines, resonators, etc.) are used in a wide range of applications in various industries. Surface acoustic waves (SAW) filters are key elements of wireless communication systems, such as base stations, satellite communication and mobile systems. The aim of this work was to investigate the issue of designing SAW devices on frequency harmonics, which potentially allows you to work at higher frequencies. To design devices using a model of coupling of modes (COM), a set of SAW parameters is required. Materials and Methods: A technique for extracting SAW parameters of the main and multiple frequency harmonics under the electrodes using the finite element method in COMSOL are presented. The methodology and the main features of the analysis of SAW by the numerical method are considered. Then, based on the extracted parameters, a quartz SAW filter and a lithium niobate SAW delay line were calculated using transducers operating at the 3rd harmonic. The results of calculating the frequency response were compared with the results of the experiment. Results and Conclusions: The proposed algorithm allows to extract the SAW parameters of each of the harmonics and take them into account in quick calculations on base COM. The results of numerical analysis of the SAW parameters, a COM model and a matrix approach to formalizing calculations provide the developer with an effective and easily adaptable tool for calculating the frequency responses of SAW devices.

Sobre autores

Aleksey Koigerov

Saint Petersburg Electrotechnical University “LETI”

ORCID ID: 0000-0002-6602-0528
Scopus Author ID: 54583730600
5 Professora Popova St., St. Petersburg 197376, Russia

Bibliografia

  1. Багдасарян А., Синицына Т., Машинин О., Иванов П., Егоров Р. Устройства частотной селекции на ПАВ в современных системах связи, радиолокации и телекоммуникации // Электроника : наука, технология, бизнес. 2013. № 8. C. 128–136.
  2. Туральчук П. А., Вендик И. Б. Синтез полосовых фильтров на объемных акустических волнах с учетом материальных параметров многослойной структуры резонаторов // Акустический журнал. 2022. Т. 68, № 6. С. 611–617. https://doi.org/10.31857/S0320791922050124
  3. Гуляев Ю. B., Сучков С. Г., Янкин С. С., Никитов С. А., Сучков Д. С., Плесский В. П. Радиочастотная идентификационная метка на поверхностных акустических волнах в диапазоне частот 6 ГГц // Радиотехника и электроника. 2015. Т. 60, № 4. С. 429–432. https://doi.org/10.7868/S0033849415040087
  4. Дорохов С. П. Многопараметрический транспондер на основе пассивной радиометки на поверхностных акустических волнах // Датчики и системы. 2018. № 11. С. 35–41.
  5. Анцев И. Г., Богословский С. В. Эволюция систем мониторинга на основе меток и датчиков на поверхностных акустических волнах // Инновации. 2015. № 12. С. 115–122.
  6. Елисеев Н. Перспективные ПАВ-датчики Transense / Honeywell // Электроника : Наука, Технология, Бизнес. 2008. № 1. С. 40–45.
  7. Лойко В. А., Добровольский А. А., Кочемасов В. Н., Сафин А. Р. Автогенераторы на поверхностных акустических волнах (обзор) // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2022. Т. 25, № 3. С. 6–21. https://doi.org/10.32603/1993-8985-2022-25-3-6-21
  8. Веремеев И. В., Доберштейн С. А., Разгоняев В. К. Моделирование ПАВ-резонаторов и лестничных ПАВфильтров методом P-матриц // Техника радиосвязи. 2018. № 3 (38). С. 61–71.
  9. Дмитриев В. Ф. Вывод модифицированных уравнений связанных поверхностных акустических волн // Радиотехника и электроника. 2009. Т. 54, № 9. C. 1134–1143.
  10. Койгеров А. С. Аналитический подход к расчету резонаторного комбинированного фильтра на поверхностных акустических волнах на основе модели связанных мод // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2022. Т. 25, № 2. С. 16–28. https://doi.org/10.32603/1993-8985-2022-25-2-16-28
  11. Кузнецова И. Е., Смирнов А. В., Плеханова Ю. В., Решетилов А. Н., Ван Г.-Ц. Влияние апертуры встречноштыревого преобразователя на характеристики его выходного сигнала в пьезоэлектрической пластине // Изв. РАН. Сер. физ. 2020. Т. 84, № 6. С. 790–793. https://doi.org/10.31857/S0367676520060162
  12. Тимошенко П. Е., Широков В. Б., Калинчук В. В. Конечно-элементное моделирование характеристик ПАВфильтров на основе тонких пленок титаната бария стронция // Экологический вестник научных центров ЧЭС. 2020. Т. 17, № 4. C. 48–56. https://doi.org/10.31429/vestnik-17-4-48-56
  13. Квашнин Г. М., Сорокин Б. П., Бурков С. И. Анализ распространения СВЧ волн Лэмба в пьезоэлектрической слоистой структуре на основе алмаза // Акустический журнал. 2021. Т. 67, № 6. С. 595–602. https://doi.org/10.31857/S0320791921060058
  14. Campbell C. K. Obtaining the fundamental and harmonic radiation conductances of a reflective SAW interdigital transducer // 1998 IEEE Ultrasonics Symposium. Proceedings. 1998. Vol. 1. P. 169–173. https://doi.org/10.1109/ULTSYM.1998.762124
  15. Asakawa S., Suzuki M., Kakio S., Tezuka A., Mizuno J. Resonance Properties of Leaky SAW Harmonics on Bonded Dissimilar-Material Structures // 2020 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS). 2020. P. 1–3. https://doi.org/10.1109/IUS46767.2020.9251535
  16. Sato T., Otsuka S., Okajima H., Motegi R. Experimental investigation on the operation of SAW devices at harmonic frequencies with stepped-finger interdigital transducer // 1996 IEEE Ultrasonics Symposium. Proceedings. 1996. Vol. 1. P. 267–270. https://doi.org/10.1109/ULTSYM. 1996.583971
  17. Huegli R. GHz filters with third harmonic unidirectional transducers // IEEE Symposium on Ultrasonics. 1990. Vol. 1. P. 165–168. https://doi.org/10.1109/ULTSYM. 1990.171345
  18. Chen Y., Wu T., Chang K. A COM Analysis of SAW Tags Operating at Harmonic Frequencies // 2007 IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings. 2007. P. 2347–2350. https://doi.org/10.1109/ULTSYM.2007.590
  19. Hikita M., Kato Y., Matsuda J., Watanabe T., Nakano A. Self-temperature-compensation characteristics at 1st- and 3rd-harmonic frequencies for SAW gas sensor used in sensor network // 2009 IEEE International Ultrasonics Symposium. 2009. P. 2496–2499. https://doi.org/10.1109/ULTSYM.2009.5441984
  20. Chauhan V., Weigel R., Hagelauer A., Mayer M., Ruile W., Moellenbeck D., Ebner T., Wagner K. C., Bleyl I., Mayer E., Mayer A. A Nonlinear FEM Model to Calculate Third-Order Harmonic and Intermodulation in TC-SAW Devices // 2018 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS). 2018. P. 1–9. https://doi.org/10.1109/ULTSYM.2018.8580153
  21. Койгеров А. С., Балышева О. Л. Быстрый численный расчет параметров поверхностных акустических волн Рэлея для модели связанных мод // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2022. Т. 25, № 5. С. 67–79. https://doi.org/10.32603/1993-8985-2022-25-5-67-79
  22. Tikka A., Al-Sarawi S., Abbott D. Acoustic Wave Parameter Extraction with Application to Delay Line Modelling Using Finite Element Analysis // Sensors & Transducers J. 2008. Vol. 95, iss. 8. P. 26–39.
  23. Morgan D. Surface Acoustic Wave Filters With Applications to Electronic Communications and Signal Processing. Academic Press, 2010. 448 p.
  24. Аристархов Г. М., Гуляев Ю. В., Дмитриев В. Ф., Зайченко К. В., Комаров В. В., Воробьев А. В., Звездинов Н. В., Исаев В. М., Кабанов И. Н., Кац Б. М., Корчагин А. И., Мещанов В. П. Фильтрация и спектральный анализ радиосигналов. Алгоритмы. Структуры. Устройства / под ред. Ю. В. Гуляева. М. : Радиотехника, 2020. 504 с.
  25. Синицына Т. В. Методы моделирования высокоизбирательных устройств частотной селекции на поверхностных акустических волнах: автореф. … дис. д-ра техн. наук. М., 2019. 31 с.
  26. Liu Y., Cai Y., Zhang Y., Tovstopyat A., Liu S., Sun C. Materials, Design, and Characteristics of Bulk Acoustic Wave Resonator: A Review // Micromachines. 2020. Vol. 11. P. 630. https://doi.org/10.3390/mi11070630

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML
Baixar

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».