Аналитический подход к расчету резонаторного комбинированного фильтра на поверхностных акустических волнах на основе модели связанных мод

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.

1. Фильтрация и спектральный анализ радиосигналов. Алгоритмы. Структуры. Устройства / под ред. Ю. В. Гуляева. М.: Радиотехника, 2020. 504 с.

2. 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.2016.7728546

3. Койгеров 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.23.139–147

4. Дмитриев В. Ф. Вывод модифицированных уравнений связанных поверхностных акустических волн // Радиотехника и электроника. 2009. Т. 54, № 9. C. 1134–1143.

5. 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.2005.1504023

6. Дмитриев 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.

7. Веремеев 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: 10.33286/2075-8693-2018-38-61-71

8. 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/S0129156400000684

9. 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.2010.5935881

10. Rukhlenko A. S. Nodal Analysis of Multitransducer SAW Devices // IEEE Ultrason. Symp., Seattle, USA, 7–10 Nov. 1995. P. 297–300. doi: 10.1109/ULTSYM.1995.495586

11. Analysis 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.2005.1603158

12. Auld B. A. Acoustic Fields and Waves in Solids. Vol. 1. New York: Wiley, 1973. 414 p.

13. 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.2019.8926183

14. Koigerov 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. 2021.9470638

15. Койгеров 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.

16. Hong J., Lancaster M. J. Microstrip Filters for RF/Microwave Applications. John Wiley & Sons. Inc., 2001. 457 p.

17. 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.

18. 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.2002.1193420