Концепция проектирования и оптимизации параметров приборов на поверхностных акустических волнах

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. 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. 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. 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. 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. 

1. Гуляев Ю. В. Акустоэлектроника (исторический обзор) // Успехи физ. наук. 2005. Т. 175, № 8. С. 887–895. doi: 10.3367/UFNr.0175.200508h.0887

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

3. Акустоэлектронные устройства обработки и генерации сигналов. Принципы работы, расчета и проектирования / под ред. Ю. В. Гуляева. М.: Радиотехника, 2012. 576 с.

4. Анцев И. Г., Богословский С. В. Эволюция систем мониторинга на основе меток и датчиков на поверхностных акустических волнах // Инновации. 2015. № 12. С. 115–122.

5. 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.

6. 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.24.199-207

7. Морозов А. И., Проклов В. В., Станковский Б. А. Пьезоэлектрические преобразователи для радиоэлектронных устройств. М.: Радио и связь, 1981. 184 с.

8. 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.2010.5935465

9. I.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.2017.8091876

10. Фильтры 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/S0033849416040100

11. Фильтры 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: 10.33286/2075-8693-2019-42-86-98

12. 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.

13. 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.

14. Прапорщиков В., Орлов В. Фильтры на ПАВ. Краткий обзор и методы расчета // СВЧэлектроника. 2020. № 3. C. 40–47.

15. Morgan D. Surface Acoustic Wave Filters With Applications to Electronic Communications and Signal Processing. N. Y.: Academic Press, 2010. 448 p.

16. 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: 10.32603/1993-8985-2022-25-5-67-79

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

18. 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. doi: 10.32603/1993-8985-2022-25-2-16-28

19. 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-17-4-48-56

20. 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.2008.0476

21. Влияние 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/S0367676520060162

22. Бугаев А. С., Горский В. Б. Система оптимизации выходных характеристик электронных компонент // Радиотехника и электроника. 2009. Т. 54, № 10. С. 1266–1276.

23. Бауск Е. В., Одаренко О. И. Оптимизация характеристик фильтров на поверхностных акустических волнах с помощью критерия минимакса // Автометрия. 2001. № 4. С. 18–25.

24. 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.1997.662974

25. Bi 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.2003.1293457

26. Genetic 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.2004.1418202

27. Bausk 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. 2004.1324404

28. Ruppel 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. 1991.234131

29. Optical 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.2014.09.011

30. Mack C. A. Inside PROLITH: A Comprehensive Guide to Optical Lithography Simulation. URL: https://lithoguru.com/scientist/litho_papers/Inside_PRO