radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2024-27-1-17-32radioelectronics-837Research ArticleПРОЕКТИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВENGINEERING DESIGN AND TECHNOLOGIES OF RADIO ELECTRONIC FACILITIESКонцепция проектирования и оптимизации параметров приборов на поверхностных акустических волнахConcept for Parameter Design and Optimization of Surface Acoustic Wave Deviceshttps://orcid.org/0000-0002-6602-0528КойгеровА. С.KoigerovA. S.

Койгеров Алексей Сергеевич – кандидат технических наук (2011), доцент (2021) кафедры микро- и наноэлектроники (МНЭ) 

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

Aleksey S. Koigerov – Cand. Sci. (Eng) (2011), Associate Professor (2021) of the Department of Micro- and Nano Electronics (MNE) 

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197002

a.koigerov@gmail.comКорляковА. В.KorlyakovA. V.

Корляков Андрей Владимирович – доктор технических наук (2011), профессор (2013) кафедры микро- и наноэлектроники (МНЭ)

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

Andrey V. Korlyakov – Dr. Sci. (Eng) (2011), Professor (2013) of the Department of Micro- and Nano Electronics (MNE)

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197002

   

akorl@yandex.ruСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)РоссияSaint Petersburg Electrotechnical UniversityRussian Federation2024290220242711732Copyright © Койгеров А.С., Корляков А.В., 20242024Койгеров А.С., Корляков А.В.Koigerov A.S., Korlyakov A.V.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/837Введение

Введение. Полосовые фильтры (ПФ) на поверхностных акустических волнах (ПАВ) используются в качестве устройств частотной селекции приемной и передающей радиоэлектронной аппаратуры. Среди множества требований к ПФ на ПАВ на первый план выходят как требования к качеству характеристик – уменьшение вносимых потерь, уменьшение неравномерности в полосе пропускания и т. д., так и требования по сокращению времени разработки фильтра. Сокращение времени разработки с одновременным снижением затрат на нее достигается за счет предварительного компьютерного моделирования. Указанная задача решается при комплексном подходе к построению системы автоматизированного проектирования с возможностью решения задач оптимизации с большим числом степеней свободы.

Цель работы

Цель работы. Разработка концепции проектирования ПФ на ПАВ с помощью оптимизационных алгоритмов. Апробация работы по созданию реальных частотных фильтров на примере резонаторных фильтров с малыми потерями на вытекающих ПАВ.

Материалы и методы

Материалы и методы. Теоретическая часть работы выполнена с применением методов статистического анализа, теории цепей и модели связанных мод. В ходе работы применялась математическая обработка и расчет в программе MATLAB.

Результаты

Результаты. Разработана концепция построения системы автоматизированного проектирования фильтров на ПАВ с заданными частотными характеристиками. Предложен оригинальный метод оптимизации элементов топологии ПФ на ПАВ для получения заданных частотных характеристик. В качестве апробации предложенного подхода рассчитан и изготовлен резонаторный фильтр на вытекающих ПАВ на 64° YX-срезе ниобата лития.

Заключение

Заключение. Предложенный комплексный подход к проектированию ПФ на ПАВ позволяет быстро и относительно точно прогнозировать характеристики фильтра на стадии моделирования, что дает существенный выигрыш по сравнению с проведением многочисленных натурных экспериментальных исследований или численных исследований при наличии большого числа степеней свободы. 

Introduction

Introduction. Bandpass filters on surface acoustic waves (SAW) are important components in frequency selection devices for receiving and transmitting electronic equipment. Among the variety of existing requirements for SAW filters, particular attention is paid to those for the quality of characteristics, including reduction of insertion losses, unevenness in the bandwidth, etc., and those for reducing the development time of the filter. Reduction in the development time along with a simultaneous reduction in expenses can be achieved through the application of preliminary computer simulation. This task can be implemented only through an integrated approach to developing a computer-aided design system capable of solving optimization problems with a large number of degrees of freedom.

Aim

Aim. Development of a prototype of a fully functional complex for simulating and calculating SAW filters. Approbation of work on the creation of actual frequency filters on the example of resonator SAW filters with low losses on leaky SAWs. Development of a methodological approach to creation of a technology of computer-aided design of SAW filters using optimization algorithms.

Materials and methods

Materials and methods. The theoretical part of the work was carried out using statistical analysis methods, circuit theory, and coupled mode theory. In the course of the work, mathematical processing and calculation were carried out in the MATLAB environment.

Results

Results. A concept for creating a system of automated design of SAW filters with specified frequency characteristics was developed. An original method is proposed for optimizing the topology of SAW filter elements to obtain the maximum achievable frequency responses. The proposed approach was tested when calculating a resonator filter on leaky SAWs at 64° YX-cut lithium niobate.

Conclusion

Conclusion. The proposed integrated approach to designing SAW filters allows a rapid and relatively accurate prediction of filter characteristics at the modeling stage, which has a significant advantage compared to conducting numerous real experimental studies or numerical studies in the presence of a large number of degrees of freedom.

поверхностные акустические волнывстречно-штыревой преобразовательфильтр на ПАВмодель связанных модCOM-методпьезоэлектрическая подложкасильный пьезоэлектрический материалниобат литияглобальная оптимизациямногоэкстремальная целевая функцияsurface acoustic wavesinter-digital transducerSAW filtercoupling of modes modelCOM methodpiezoelectric substratestrong piezoelectric materiallithium niobateglobal optimizationmulti-extreme objective functionАвторы выражают благодарность Генеральному директору – главному конструктору ООО "АЭК Дизайн" В. Р. Реуту за предоставленные экспериментальные данные.The authors express his gratitude to the general director and the general designer "AEC-Design" V. R. Reut for the experimental data provided.ReferencesГуляев Ю. В. Акустоэлектроника (исторический обзор) // Успехи физ. наук. 2005. Т. 175, № 8. С. 887–895. doi: 10.3367/UFNr.0175.200508h.0887Gulyaev Yu. V. Acoustoelectronics (historical review). Physics-Uspekhi. 2005, vol. 48, no. 8, pp. 847–855. doi: 10.1070/PU2005v048n08ABEH002840Фильтрация 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 [Filtration and Spectral Analysis of Radio Signals]. Ed. by Yu. V. Gulyaev. Moscow, Radiotekhnika, 2020, 504 p. (In Russ.)Акустоэлектронные устройства обработки и генерации сигналов. Принципы работы, расчета и проектирования / под ред. Ю. В. Гуляева. М.: Радиотехника, 2012. 576 с.Balysheva O. L., Grigoryev V. I., Gulyaev Yu. V. et al. Akustojelektronnye ustrojstva obrabotki i generacii simalov. Principy raboty, rascheta i proektirovanija [Acoustoelectronic Signal Processing and Generation Devices: Principles of Operation, Calculation and Design]. Ed. by Yu. V. Guljaev. Moscow, Radiotehnika, 2012, 576 p. (In Russ.)Анцев И. Г., Богословский С. В. Эволюция систем мониторинга на основе меток и датчиков на поверхностных акустических волнах // Инновации. 2015. № 12. С. 115–122.Antcev I. G., Bogoslovsky S. V. Development of Monitoring Systems on the Basis of Tags and Sensors Based on Surface Acoustic Waves. Innovations. 2015, vol. 12, pp. 115–122. (In Russ.)Пассивные беспроводные датчики и радиометки на принципах функциональной электроники / И. Г. Анцев, С. В. Богословский, Г. А. Сапожников, С. А. Жгун, А. Р. Жежерин, А. Н. Трофимов, А. С. Швецов. М.: Наука, 2021. 518 с.Antcev I. G., Bogoslovsky S. V., Sapognikov G. A., Zhgoon S. A., Zhezherin A. R., Trofimov A. N., Shvetsov A. S. Passivhyye besprovodnyye datchiki i radiometki na printsipakh funktsional’noy elektroniki [Passive Wireless Sensors and Radio Tags Based on the Principles of Functional Electronics]. Moscow, Nauka, 2021, 518 p. (In Russ.)Койгеров А. С. Достижение критических и предельных параметров в микроприборах на поверхностных акустических волнах // Нано- и микросистемная техника. 2022. Т. 24, № 4. C. 199–207. doi: 10.17587/nmst.24.199-207Koigerov A. S. Achievement of Critical and Limiting Parameters in Surface Acoustic Wave Micro-devices. Nano- I mikrosistemnaya tekhnika. 2022, vol. 24, no. 4, pp. 199– 207. doi: 10.17587/nmst.24.199-207 (In Russ.)Морозов А. И., Проклов В. В., Станковский Б. А. Пьезоэлектрические преобразователи для радиоэлектронных устройств. М.: Радио и связь, 1981. 184 с.Morozov A. I., Proklov V. V., Stankovskii B. A. P’yezoelektricgeskiye preobrazovateli dlya radioelektronnykh ustroystv [Piezoelectric Transducers for RadioElectronic Devices]. Moscow, Radio i svyaz’, 1981, 184 p. (In Russ.)Good Temperature Coefficient of Frequency SAW resonator on a SiO2/Al/LiNBo3 Structure / H. Nakanishi, H. Nakamura, T. Tsurunari, J. Fujiwara, Y. Hamaoka, K. Hashimoto // Int. IEEE Ultrasonics Symp. San Diego, USA, 11–14 Oct. 2010. IEEE, 2011. P. 1298–1301. doi: 10.1109/ULTSYM.2010.5935465Nakanishi H., Nakamura H., Tsurunari T., Fujiwara J., Hamaoka Y., Hashimoto K. Good Temperature Coefficient of Frequency SAW resonator on a SiO2/Al/LiNBo3 Structure. Int. IEEE Ultrasonics Symp. San Diego, USA, 11–14 Oct. 2010. IEEE, 2011. P. 1298–1301. doi: 10.1109/ULTSYM.2010.5935465I.H.P. SAW Technology and its Application to Microacoustic Components (Invited) / T. Takai, H. Iwamoto, Y. Takamine, T. Fuyautsume, T. Nakao, M. Hiramoto, T. Toi, M. Koshino // IEEE Intern. Ultrasonics Symp. (IUS), Washington, DC, 6–9 Sept. 2017. IEEE, 2017, 8 p. doi: 10.1109/ULTSYM.2017.8091876Takai T., Iwamoto H., Takamine Y., Fuyautsume T., Nakao T., Hiramoto M., Toi T., Koshino M. I.H.P. SAW Technology and its Application to Microacoustic Components (Invited). IEEE Intern. Ultrasonics Symp. (IUS), Washington, DC, 6–9 Sept. 2017. IEEE, 2017, 8 p. doi: 10.1109/ULTSYM.2017.8091876Фильтры на поверхностных акустических волнах с высокой входной мощностью для систем связи, радиолокационной и телекоммуникационной аппаратуры на номинальную частоту 2170 МГц / С. А. Никитов, А. С. Багдасарян, С. Н. Кондратьев, Т. В. Синицына, О. В. Машинин, А. С. Груздев // Радиотехника и электроника. 2016. Т. 61, № 4. C. 389–394. doi: 10.7868/S0033849416040100Nikitov S. A., Bagdasaryan A. S., Kondrat’ev S. N., Sinitsyna T. V., Mashinin O. V., Gruzdev A. S. SurfaceAcoustic-Wave Filters with a High Input Power for a Nominal Frequency of 2170 MHz for Communication Systems and Radar and Telecommunications Equipment. J. of Communications Technology and Electronics. 2016, vol. 61, no. 4, pp. 443–448. doi: 10.1134/S1064226916040100Фильтры на ПАВ с малыми потерями – одно из главных конкурентных преимуществ техники ПАВ / А. С. Багдасарян, Ю. В. Гуляев, С. А. Доберштейн, Т. В. Синицына // Техника радиосвязи. 2019. № 3 (42). С. 86–98. doi: 10.33286/2075-8693-2019-42-86-98Bagdasaryan A. S., Gulyaev Yu. V., Dobershtein S. A., Sinitsina T. V. Low-loss SAW Filters — One of Major Competitive Advantages of SAW Technology. Radio Communication Technology, 2019, no. 3 (42), pp. 86–98. doi: 10.33286/2075-8693-2019-42-86-98 (In Russ.)Применение однонаправленных встречноштыревых преобразователей при проектировании фильтров на поверхностных акустических волнах / И. Г. Анцев, С. В. Богословский, Г. А. Сапожников, А. Р. Жежерин // Вопросы радиоэлектроники. 2019. № 2. С. 58–70.Antcev I. G., Bogoslovsky S. V., Sapognikov G. A., Zhezherin A. R. Single-Phase Unidirectional Transducers and Their Application to Surface Acoustic Wave Filter Design. Iss. of Radio Electronics. 2019, no. 2, pp. 58–70. (In Russ.)Устройства частотной селекции на ПАВ в современных системах связи, радиолокации и телекоммуникации / А. Багдасарян, Т. Синицына, О. Машинин, П. Иванов, Р. Егоров // Электроника: наука, технология, бизнес. 2013. № 8. C. 128–136.Bagdasaryan A., Sinitzina T., Mashinin O, Ivanov P., Egorov R. SAW Frequency Selection Devices for Modern Communication, Radiolocation and TeleCommunication Systems. Electronics: Science, Technology, Business. 2013, no. 8, pp. 128–136 (In Russ.)Прапорщиков В., Орлов В. Фильтры на ПАВ. Краткий обзор и методы расчета // СВЧэлектроника. 2020. № 3. C. 40–47.Praporshchikov V., Orlov V. SAW Filters. Brief Overview and Calculation Methods. Microwave Electronics. 2020, no. 3, pp. 40–47. (In Russ.)Morgan D. Surface Acoustic Wave Filters With Applications to Electronic Communications and Signal Processing. N. Y.: Academic Press, 2010. 448 p.Morgan D. Surface Acoustic Wave Filters With Applications to Electronic Communications and Signal Processing. Academic Press, 2010, 448 p.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. doi: 10.32603/1993-8985-2022-25-5-67-79Koigerov A. S., Balysheva O. L. Rapid Numerical Calculation of Rayleigh Surface Acoustic Wave Parameters for a Model of Coupling Modes. Journal of the Russian Universities. Radioelectronics. 2022, vol. 25, no. 5, pp. 67–79. doi: 10.32603/1993-8985-2022-25-5-67-79 (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. 1077– 1086. doi: 10.1134/S1064226909090137Койгеров 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. doi: 10.32603/1993-8985-2022-25-2-16-28Koigerov A. S. Analytical Approach to Designing a Combined-Mode Resonator Filter on Surface Acoustic Waves Using the Model of Coupling of Modes. Journal of the Russian Universities. Radioelectronics. 2022, vol. 25, no. 2, pp. 16–28. doi: 10.32603/1993-8985-2022-25-2-16-28 (In Russ.)Тимошенко П. Е., Широков В. Б., Калинчук В. В. Конечно-элементное моделирование характеристик ПАВ-фильтров на основе тонких пленок титаната бария стронция // Экологический вестник научных центров черноморского экономического сотрудничества. 2020. Т. 17, № 4. С. 48–56. doi: 10.31429/vestnik-17-4-48-56Timoshenko P. E., Shirokov V. B., Kalinchuk V. V. Finite-Element Modeling of SAW-Filters Based on Thin Films of Barium Strontium Titanate. Ecological Bulletin of Research Centers of the Black Sea Economic Cooperation. 2020, vol. 17, no. 4, pp. 48–56. doi: 10.31429/vestnik-17-4-48-56 (In Russ.)3D Finite Element Modeling of Real Size SAW Devices and Experimental Validation / S. Zhgoon, D. Tsimbal, A. Shvetsov, K. Bhattacharjee // IEEE Ultrasonics Symp. Beijing, China, 02–05 Nov. 2008. P. 1932–1935. doi: 10.1109/ULTSYM.2008.0476Zhgoon S., Tsimbal D., Shvetsov A., Bhattacharjee K. 3D Finite Element Modeling of Real Size SAW Devices and Experimental Validation. IEEE Intern. Ultrasonics Symp., Beijing, China, 2008, pp 1932–1935. doi: 10.1109/ULTSYM.2008.0476Влияние апертуры встречно-штыревого преобразователя на характеристики его выходного сигнала в пьезоэлектрической пластине / И. Е. Кузнецова, А. В. Смирнов, Ю. В. Плеханова, А. Н. Решетилов, Г.-Ц. Ван // Изв. РАН. Сер. физическая. 2020. Т. 84, № 6. С. 790–793. doi: 10.31857/S0367676520060162Kuznetsova I. E., Smirnov A. V., Plekhanova Y. V., Reshetilov A. N., Wang G.-J. Effect of the Aperture Interdigital Transducer on the Characteristics of Its Output Signal in a Piezoelectric Plate. Bulletin of the Russian Academy of Scincec: Physics. 2020, vol. 84, no. 6, pp. 644–647. doi: 10.3103/S1062873820060143Бугаев А. С., Горский В. Б. Система оптимизации выходных характеристик электронных компонент // Радиотехника и электроника. 2009. Т. 54, № 10. С. 1266–1276.Bugaev A. S., Gorskii V. B. A System for OptiMization of the Output Characteristics of Electron Components. Radiotechnika i Electronika. 2009, vol. 54, no. 10, pp. 1266–1276 (In Russ.)Бауск Е. В., Одаренко О. И. Оптимизация характеристик фильтров на поверхностных акустических волнах с помощью критерия минимакса // Автометрия. 2001. № 4. С. 18–25.Bausk E. B., Odarenko O. I. Optimization of Characteristics Filters on Surface Acoustic Waves with Help Minimax Criteria. Autometrics. 2001, no. 4, pp. 18–25. (In Russ.)Hybrid optimization techniques for the design of SAW-filters / J. Franz, C. C. W. Ruppel, F. Seifert, R. Weigel // IEEE Ultrasonic Symp. Proc. Toronto, Canada, 05–08 Oct. 1997. P. 33–36. doi: 10.1109/ULTSYM.1997.662974Franz J., Ruppel C. C. W., Seifert F., Weigel R. Hybrid optimization techniques for the design of SAWfilters. IEEE Ultrasonic Symp. Proc., Toronto, Canada, 05–08 Oct. 1997, pp. 33–36. doi: 10.1109/ULTSYM.1997.662974Bi F. Z., Pyman A. C. A Fast Algorithm of Designing Minimum Phase Transducer and Its Application to SPUDT Design // IEEE Symp. on Ultrasonics, Honolulu, USA, 05–08 Oct. 2003. Vol. 1. P. 522–525. doi: 10.1109/ULTSYM.2003.1293457Bi F. Z., Pyman A. C. A Fast Algorithm of Designing Minimum Phase Transducer and Its Application to SPUDT Design. IEEE Symp. on Ultrasonics, Honolulu, USA, 05–08 Oct. 2003, vol. 1, pp. 522–525. doi: 10.1109/ULTSYM.2003.1293457Genetic optimization algorithms in design of coupled SAW / J. Meltaus, P. Hämäläinen, M. M. Salomaa, V. P. Plessky // IEEE Ultrasonic Symp., Montreal, Canada, 23–27 Aug. 2004. Vol. 3. P. 1901–1904. doi: 10.1109/ULTSYM.2004.1418202Meltaus J., Hämäläinen P., Salomaa M. M., Plessky V. P. Genetic Optimization Algorithms in Design of Coupled SAW. IEEE Ultrasonic Symp. Montreal, Canada, 23–27 Aug. 2004, vol. 3, pp. 1901–1904. doi: 10.1109/ULTSYM.2004.1418202Bausk E., Taziev R., Lee A. Synthesis of Slanted and Quasi-Slanted SAW Transducers // IEEE Trans. on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2004, Vol. 51, iss. 8. P. 1002–1009. doi: 10.1109/TUFFC. 2004.1324404Bausk E., Taziev R., Lee A. Synthesis of Slanted and Quasi-Slanted SAW Transducers. IEEE Trans. on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2004, vol. 51, iss. 8, pp. 1002–1009. doi: 10.1109/TUFFC.2004.1324404Ruppel C. C. W., Sachs A. A., Seifert F. J. A Review of Optimization Algorithms for the Design of SAW Transducers // IEEE Ultrasonic Symp., Orlando, USA, 08–11 Dec. 1991. P. 73–83. doi: 10.1109/ULTSYM. 1991.234131Ruppel C. C. W., Sachs A. A., Seifert F. J. A Review of Optimization Algorithms for the Design of SAW Transducers. IEEE Ultrasonic Symp., Orlando, USA, 08–11 Dec. 1991, pp. 73–83. doi: 10.1109/ULTSYM. 1991.234131Optical and EUV projection lithography: A computational view / A. Erdmann, T. Fuhner, P. Evanschitzky, V. Agudelo, C. Freund, P. Michalak, D. Xu // Microelectronic Engineering. 2015. Vol. 132. P. 21–34. doi: 10.1016/j.mee.2014.09.011Erdmann A., Fuhner T., Evanschitzky P., Agudelo V., Freund C., Michalak P., Xu D. Optical and EUV Projection Lithography: A Computational View. Microelectronic Engineering. 2015, vol. 132, pp. 21–34. doi: 10.1016/j.mee.2014.09.011Mack C. A. Inside PROLITH: A Comprehensive Guide to Optical Lithography Simulation. URL: https://lithoguru.com/scientist/litho_papers/Inside_PROMack C. A. Inside PROLITH: A Comprehensive Guide to Optical Lithography Simulation. Available at: https://lithoguru.com/scientist/litho_papers/Inside_PROLITH.pdf (accessed 19.01.2024)

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