radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2022-25-2-16-28radioelectronics-615Research ArticleПРОЕКТИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВENGINEERING DESIGN AND TECHNOLOGIES OF RADIO ELECTRONIC FACILITIESАналитический подход к расчету резонаторного комбинированного фильтра на поверхностных акустических волнах на основе модели связанных модAnalytical Approach to Designing a Combined-Mode Resonator Filter on Surface Acoustic Waves Using the Model of Coupling of Modeshttps://orcid.org/0000-0002-6602-0528КойгеровА. С.KoigerovA. S.

 кандидат технических наук (2011), доцент (2021) кафедры микро- и наноэлектроники (МНЭ)

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022, Россия

 Cand. Sci. (Eng.) (2011), Associate Professor (2021) of the Department of Micro- and Nano Electronics

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022, Russia 

a.koigerov@gmail.comСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)РоссияSaint Petersburg Electrotechnical University "LETI"Russian Federation2022270420222521628Copyright © Койгеров А.С., 20222022Койгеров А.С.Koigerov A.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/615

Введение. Полосовые фильтры являются важными компонентами, которые определяют основные характеристики приемной и передающей радиоэлектронной аппаратуры. Одним из вариантов их реализации являются фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ), которые, обладая отличными электрическими параметрами, обеспечивают и выполнение требований по минимальным массогабаритным характеристикам. Сокращение времени проектирования с одновременным снижением затрат на разработку фильтров является актуальной задачей, которую можно решить как за счет применения современных вычислительных пакетов, так и усовершенствованием и развитием уже известных средств моделирования.Цель работы. Показать современное состояние и основные особенности расчета полосовых фильтров на ПАВ на основе модели связанных мод и ее формализации на базе P-матриц, описание принципов и подходов на примере проектирования комбинированного резонаторного фильтра на вытекающих ПАВ и сравнение результатов расчета с экспериментальными данными.Материалы и методы. Теоретическая часть работы выполнена с применением теории дифференциальных уравнений, представленных в матричной форме, конечно-элементного анализа и элементов теории цепей. В ходе работы применялась математическая обработка и расчет в программах MatLab и COMSOL.Результаты. Показано современное состояние аналитического подхода к расчету фильтров на ПАВ на основе модели связанных мод и формализация данного подхода на базе P-матриц. Разработана концепция построения и предложена оригинальная конструкция резонаторного фильтра на вытекающих ПАВ на 49° YX-срезе ниобата лития. Фильтр имеет относительную полосу пропускания 5,8 %, вносимое затухание –3.7 дБ и подавление в полосе заграждения –50 дБ. Предложена методика расчета фильтров на ПАВ.Заключение. Предложенный аналитический подход к проектированию полосовых фильтров на ПАВ позволяет быстро и относительно точно прогнозировать на стадии моделирования характеристики фильтра, например коэффициент передачи. Это дает возможность уменьшить число экспериментальных итераций и повысить эффективность разработки.

Introduction. Bandpass filters are important components that determine the basic characteristics of transmitting and receiving radio electronic equipment. Such filters implemented on surface acoustic waves (SAW) not only demonstrate excellent electrical parameters, but also meet compactness requirements. The relevant research task of reducing the design time and optimizing the filter’s cost can be solved by either using modern computational software or improving existing modeling tools.Aim. To describe the current state and main features of approaches to calculating SAW-based bandpass filters using the model of coupled modes and its formalization based on P-matrices. To describe the main principles and approaches on the example of designing a combined-mode resonator filter on leaky SAW and comparing the calculated and experimental data.Materials and methods. A theoretical study was carried out using the mathematical theory of differential equations presented in a matrix form, as well as the methods of finite element analysis and circuit theory. The results were processed in MatLab and COMSOL.Results. The current state of the analytical approach to designing SAW-based filters using the model of coupled modes and its formalization based on P-matrices was described. An original design for a resonator filter based on leaky SAW at 49° YX-cut of lithium niobate was proposed. The filter has a relative bandwidth of 5.8 %, an insertion loss of –3.7 dB, and a stop-band rejection of –50 dB. A technique for calculating SAW-based filters was proposed.Conclusion. The proposed analytical approach to designing SAW-based bandpass filters allows the filter characteristics (e.g., transmission factor) to be reliably predicted at the modeling stage, thereby reducing the number of experimental iterations and increasing the development efficiency.

поверхностные акустические волнывстречно-штыревой преобразовательфильтр на ПАВмодель связанных модCOM-методпьезоэлектрическая подложкасильный пьезоэлектрический материалниобат литияsurface acoustic wavesinterdigital transducerSAW-based filtercoupled modes modelCOM methodpiezoelectric substratestrong piezoelectric materiallithium niobateАвтор выражает благодарность Генеральному директору – генеральному конструктору ООО "АЭК Дизайн" В. Р. Реуту за предоставленные экспериментальные данные.The author expresses his gratitude to the general director and the general designer "AECDesign" V. R. Reut for the experimental data provided.ReferencesФильтрация и спектральный анализ радиосигналов. Алгоритмы. Структуры. Устройства / под ред. Ю. В. Гуляева. М.: Радиотехника, 2020. 504 с.Aristarkhov G. M., Gulyaev Yu. V., Dmitriev V. F., Zajchenko K. V., Komarov V. V. Fil'tratsiya i spektral'nyi analiz radiosignalov. Algoritmy. Struktury. Ustroistva [Filtrayion and Spectral Analysis of Radio Signals. Algorithms. Structures. Devices] Ed. by Yu. V. Gulyaev. Moscow, Radiotekhnika, 2020, 504 p. (in Russ.)Yantchev V., Turner P., Plessky V. COMSOL modeling of SAW resonators // IEEE Intern. Ultrasonics Symp. (IUS), Tours, Franc., 18–21 Sept. 2016. INSPEC Acc. № 16443703. 4 p. doi: 10.1109/ULTSYM.2016.7728546Yantchev V., Turner P., Plessky V. COMSOL modeling of SAW resonators. Proc. IEEE Ultrason. Symp. 2016, pp. 1–4. doi: 10.1109/ULTSYM.2016.7728546Койгеров А. С. Лестничные фильтры на вытекающих поверхностных акустических волнах на подложке ниобата лития // Нано- и микросистемная техника. 2021. Т. 23, № 3. С. 139–147. doi: 10.17587/nmst.23.139–147Koigerov A. S. Ladder Type Of Leaky Surface Acoustic Waves Filters On Substrate Of Lithium Niobate. Nano- and Microsystems Technology. 2021, vol. 23, no. 3, pp. 139–147. doi: 10.17587/nmst.23.139-147 (In Russ.)Дмитриев В. Ф. Вывод модифицированных уравнений связанных поверхностных акустических волн // Радиотехника и электроника. 2009. Т. 54, № 9. C. 1134–1143.Dmitriev V. F. Modified equations of coupled surface acoustic waves. J. of Communications Technology and Electronics. 2009, vol. 54, no. 9, pp. 1134–1143. doi: 10.1134/S1064226909090137 (in Russ.)Low-loss multimode 5-IDT SAW filter / J. Meltaus, V. P. Plessky, S. Harma, M. M. Salomaa // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Contr. 2005. Vol. 52, iss. 6. P. 1013–1019. doi: 10.1109 /TUFFC.2005.1504023Meltaus J., Plessky V. P., Harma S., Salomaa M. M. Low-loss multimode 5-IDT SAW filter. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Contr. Jun. 2005, vol. 52, pp. 1013-1019. doi: 10.1109/TUFFC. 2005.1504023Дмитриев В. Ф. Теория и расчет гибридного резонаторного фильтра на поверхностных акустических волнах с повышенным внеполосным подавлением // Журн. техн. физики. 2002. Т. 72, № 11. С. 83–89.Dmitriev V. F. Theory and Analysis of a Hybrid SAW-Resonator Filter with Enhanced Out-Of-Band Sup-Pression. Technical Physics. 2002, vol. 72, no. 11, pp. 1427–1433. doi: 10.1134/1.1522112Веремеев И. В., Доберштейн С. А., Разгоняев В. К. Моделирование ПАВ-резонаторов и лестничных ПАВ-фильтров методом P-матриц // Техника радиосвязи. 2018. Вып. 3 (38). С. 61–71. doi: 10.33286/2075-8693-2018-38-61-71Veremeev I. V., Dobershtein S. A., Razgonyaev V. K. P-Matrix Modeling of Saw Resonators and Ladder-Type Saw Filters. Radio Communication Technology. 2018, iss. 3 (38), pp. 61–71. doi: 10.33286/2075-8693-2018-38-61-71 (in Russ.)Plessky V. P., Koskela J. Coupling-of-modes analysis of SAW devices // Int. J. High Speed Electr. and Syst. 2000. Vol. 10, № 4. P. 867–947. doi: 10.1142/S0129156400000684Plessky V. P., Koskela J. Coupling-of-Modes Analysis of SAW Devices. Int. J. High Speed El. And Syst. Dec. 2000, vol. 10, no. 4, pp. 867.Sveshnikov B. Discrete analysis of regular systems // IEEE Intern. Ultroson. Symp., San Diego, USA, 11–14 Oct. 2010. P. 1890–1893. doi: 10.1109/ULTSYM.2010.5935881Sveshnikov B. Discrete Analysis of Regular Systems. IEEE Ultroson. Symp. 2010, pp. 1890–1893. doi: 10.1109/ULTSYM.2010.5935881Rukhlenko A. S. Nodal Analysis of Multitransducer SAW Devices // IEEE Ultrason. Symp., Seattle, USA, 7–10 Nov. 1995. P. 297–300. doi: 10.1109/ULTSYM.1995.495586Rukhlenko A. S. Nodal Analysis of Multitransducer SAW Devices. IEEE Ultroson. Symp. Proc. 1995, pp. 297–300. doi: 10.1109/ULTSYM.1995.495586Analysis of SAW devices using FEM/BEM method and parallel computing / X. Perois, T. Pastureaud, P.-A. Girard, R. Lardat // IEEE Ultrason. Symp., Rotterdam, Netherlands, 18–21 Sept. 2005. P. 1564–1567. doi: 10.1109/ULTSYM.2005.1603158Perois X., Pastureaud T., Girard P.-A., Lardat R. Analysis of SAW Devices Using FEM/BEM Method and Parallel Computing. IEEE Ultrasonics Symposium. 2005, pp. 1564–1567. doi: 10.1109/ULTSYM.2005.1603158Auld B. A. Acoustic Fields and Waves in Solids. Vol. 1. New York: Wiley, 1973. 414 p.Auld B. A. Acoustic Fields and Waves in Solids. New York, Wiley, 1973, 414 p.Fast GPU-assisted FEM simulations of 3D periodic TCSAW, IHP, and XBAR devices / J. Koskela, V. P. Plessky, B. A. Willemsen, P. J. Turner, B. Garcia, R. B. Hammond, N. O. Fenzi // IEEE Intern. Ultrason. Symp. (IUS), Glasgow, UK, 6–9 Oct. 2019. P. 181–184. doi: 10.1109/ULTSYM.2019.8926183Koskela J., Plessky V. P., Willemsen B. A., Turner P. J., Garcia B.,. Hammond R. B, Fenzi N. O. Fast GPU-Assisted FEM Simulations of 3D Periodic TCSAW, IHP, and XBAR Devices. IEEE Intern. Ultrasonics Symp. 2019, pp. 181–184. doi: 10.1109/ULTSYM.2019.8926183Koigerov A. S., Balysheva O. L. Numerical Approach for Extraction COM Surface Acoustic Wave Parameters from Periodic Structures Analysis // Wave Electronics and its Application in Information and Telecommunication Systems (WECONF), St Petersburg, Russia, 31 May–4 June 2021. INSPEC Acc. № 0809710. 6 p. doi: 10.1109/WECONF51603. 2021.9470638Koigerov A. S., Balysheva O. L. Numerical Approach for Extraction COM Surface Acoustic Wave Parameters from Periodic Structures Analysis. Wave Electronics and its Application in Information and Telecommunication Systems (WECONF). 2021, pp. 1–6, doi: 10.1109/WECONF51603.2021.9470638Койгеров А. С., Балышева О. Л. Численный анализ параметров псевдоповерхностных акустических волн в кристаллах ниобата и танталата лития // Радиотехника и электроника. 2021. Т. 66, № 12. C. 1224–1232.Koigerov A. S., Balysheva O. L. Numerical Analysis of Parameters of Pseudosurface Acoustic Waves in Lithium Niobate and Tantalate Crystals. J. of Communications Technology and Electronics. 2021, vol. 66, no. 12, pp. 1388–1395.Hong J., Lancaster M. J. Microstrip Filters for RF/Microwave Applications. John Wiley & Sons. Inc., 2001. 457 p.Hong J., Lancaster M. J. Microstrip Filters for RF/Microwave Applications. John Wiley & Sons. Inc. 2001, 457 p.Орлов В. С. Лестничные резонаторные фильтры на поверхностных акустических волнах для приемников навигационных систем // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2016. Т. 10, № 5. С. 8–16.Orlov V. S. The Ladder Resonator Filters on Surface Acoustic Waves for Receivers of Navigation Systems. T-Comm. 2016, vol. 10, no. 5, pр. 8–16. (in Russ.)Caron J., Malocha S. Electrical parasitic modeling in SAW RF filters // IEEE Ultrason. Symp., Munich, Germany, 8–11 Oct. 2002. P. 361–346. doi: 10.1109/ULTSYM.2002.1193420Caron J., Malocha S. Electrical Parasitic Modeling in SAW RF Filters. Proc. IEEE Ultrasonics Symp. 2002, pp. 361–346. doi: 10.1109/ULTSYM.2002.1193420

The authors declare that there are no conflicts of interest present.