[發明專利]一種基于譜元法的聲表面波濾波器設計方法

在審

• 申請號: 202111243054.7
• 申請日: 2021-10-25
• 公開（公告）號: CN113962093A
• 公開（公告）日: 2022-01-21
• 發明（設計）人: 莊明偉;方永富;柳清伙;姚藝文
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F111/10
• 代理公司: 廈門福貝知識產權代理事務所(普通合伙) 35235
• 代理人: 陳遠洋

本發明提出了一種基于譜元法的聲表面波濾波器設計方法，包括：對聲表面波濾波器進行幾何建模，得到聲表面波濾波器模型；設置所述模型的參數以及激勵信息，以確定所述模型的計算區域；對所述模型進行離散化處理；將離散后的所述模型導入譜元算法中，并對所述模型的所述計算區域進行多物理場的耦合；在所述模型的終端添加輸入電壓，利用譜元算法計算公式在不同頻段下對所述模型進行求解，得到所述聲表面波濾波器在每個頻段下的輸出電壓，并計算所述聲表面波濾波器的插入損耗。本發明基于譜元法的聲表面波濾波器設計方法，在計算內存小的前提下能夠極大的提高計算效率，并且計算結果的穩定性好。

技術領域

本發明涉及5G射頻濾波器的技術領域，具體涉及一種基于譜元法的聲表面波濾波器設計方法。

背景技術

隨著5G通信、物聯網和智能汽車的發展為射頻器件行業帶來新機，未來幾年滲透率將快速提升，且射頻前端行業高速增長趨勢明確。SAW(聲表面波)射頻濾波器作為5G通信系統的核心組件，它主要功能是解決不同頻段和通信系統之間產生的信號干擾問題。SAW濾波器的工作原理是：當輸入電信號激勵時，壓電材料由于壓電效應會引發彈性形變，引起固體質點的振動，形成沿固體表面的傳播的聲表面波。當表面波傳到輸出電極時，由于逆壓電效應，會在SAW濾波器的輸出端產生電信號，該過程將實現射頻信號的過濾。然而，隨著5G通信行業的快速發展，移動設備對SAW濾波器的要求尺寸、濾波的頻段也越來越高。因此準確模擬出尺寸小、高頻段的SAW濾波器對通信領域具有重要意義。

通過數值仿真來設計SAW濾波器是最為直接的方法，常用的方法有：δ函數模型、等效電路模型、耦合模(COM)理論、P矩陣方法和有限元方法。其中，δ函數模型和等效電路模型對濾波器模型進行了簡化，忽略了反射、電極阻抗等特性；COM理論考慮了電極厚度，波速色散和衰減損耗。該理論具有明確的物理意義，同時也能考慮寄生效應和非線性效應；P矩陣是COM理論的擴展形式，將入射波和反射波振幅、激勵電壓和電流用矩陣的形式聯立求解；隨著三維數值計算的發展，利用有限元方法直接求解壓電方程，不僅能準確得到器件中場分布，同時也考慮各種復雜的幾何模型，仿真精度和可靠性高，也是目前主流的計算方法，但計算復雜度遠大于上述其它方法。隨著濾波器頻率的不斷提高,傳統的近似理論已無法滿足計算精度需要，且三維有限元方法計算效率低，需要開發更高效的三維全波仿真算法，實現對SAW濾波器的快速設計。

發明內容

為了解決現有技術中的有限元算法對于高頻聲表面波濾波器的仿真中計算量過大、計算時間過長、限制模型參數設置等技術問題，本發明提出了一種基于譜元法的聲表面波濾波器設計方法。

本申請提出了一種基于譜元法的聲表面波濾波器設計方法，包括：

S1、對聲表面波濾波器進行幾何建模，得到聲表面波濾波器模型；

S2、設置所述聲表面波濾波器模型的參數以及激勵信息，以確定所述聲表面波濾波器模型的計算區域；

S3、對所述聲表面波濾波器模型進行離散化處理；

S4、將離散后的所述聲表面波濾波器模型導入譜元算法中，并對所述聲表面波濾波器模型的所述計算區域進行多物理場的耦合；

S5、在所述聲表面波濾波器模型的終端添加輸入電壓，利用譜元算法計算公式在不同頻段下對所述聲表面波濾波器模型進行求解，得到所述聲表面波濾波器在每個頻段下的輸出電壓，并計算所述聲表面波濾波器的插入損耗。

通過建立聲表面波濾波器模型，對聲表面波濾波器模型設置參數和激勵信息，以及添加多物理場進行耦合，再基于譜元法對聲表面波濾波器模型的計算區域進行數值仿真計算，計算出聲表面波濾波器的插入損耗。這種基于譜元法的聲表面波濾波器的設計方法，在計算內存小的前提下能夠極大的提高計算效率，并且計算結果的穩定性好。

優選的，所述聲表面波濾波器模型的所述計算區域包括由壓電材料構成的襯底和金屬導電材料構成的電極。