CN112532202A - 一种基于bvd模型的saw谐振器及滤波器的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明请求保护一种基于BVD模型的SAW谐振器及滤波器的设计方法，其包括SAW谐振器的参数设计和基于COMSOL的有限元仿真方法。其中SAW谐振器参数包括插指对数的计算，孔径宽度的计算，反射栅对数的计算。COMSOL有限元仿真方法包括，单个串或并联谐振器的性能仿真以及一阶和多阶滤波器的性能仿真。本发明的目的在于根据所需的滤波器中心频率和带宽快速高效的设计出单端对谐振器或梯形结构的SAW滤波器，然后利用有限元仿真进一步检验所设计的器件性能。本设计方法在保证精确度的同时采用二维模型，直接计算整个模型的导纳和频率响应，其仿真结果更加准确，且模型简单，仿真速度快。
Description
技术领域
本发明属于射频滤波器技术领域，尤其涉及到梯形SAW谐振器及滤波器的设计和有限元仿真。
背景技术
目前SAW器件以其体积小、质量轻、高可靠性等特点在移动通信、传感、航空航天领域得到越来越广泛地作用。就声表面波滤波器而言，通常情况下有双列直插结构(IIDT)、纵向耦合结构(LCRF)以及梯形结构(Ladder)。相对于前面二者，梯形结构的带宽设计更灵活，损耗更低，功率承受能力更好，而且在便于级联，调整带外抑制。
对于梯形结构，单个谐振器可以等效为一个仅含有换能器静电容(C0)、动态电容(Cm)、动态电感(Lm)、动态电阻(Rm)4个参量的LC等效电路，其谐振频率反谐振频率如LC谐振电路一样与电容电感值密切相关。在设计谐振器时只需要根据中心频率(f0)、带宽宽度(Bw)确定串并联静电容比即可根据要求快速设计出谐振器的各个参数。
对于设计结果的检验，只需要将设计好的模型导入COMSOL，无需复杂的公式计算和近似，其结果可靠性高，且该方法简单是除了实物检验之外非常精确地检验方法。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种基于BVD模型的SAW谐振器及滤波器的设计方法。本发明的技术方案如下：
一种基于BVD模型的SAW谐振器及滤波器的设计方法，其包括声表面波谐振器参数的设计步骤；声表面波谐振器单端对的有限元仿真步骤：由这些谐振器构成的滤波器的有限元仿真步骤，
其中，声表面波谐振器参数的设计步骤包括，根据设计要求，通过串并联谐振器静电容积和静电容比计算基于谐振器BVD(巴特沃斯-凡戴克)模型的一阶SAW滤波器理论频率响应曲线1。再计算换能器插指对数、反射栅对数控制的谐振器导纳，对导纳求倒再次得到谐振器的阻抗，计算频率响应曲线2，当频率曲线1和2吻合较好时，即可确定换能器插指对数和反射栅对数。孔径W的大小由谐振器静电容确定
Cn为归一化插指静电容。插指周期为
插指宽度和插指间距均为
其中v为声表面波速度，f0为中心频率。
声表面波谐振器及其器件的仿真包括：采用二维模型，在COMSOL(多物理场仿真软件)中建立整个声表面波谐振器和由该谐振器构成的一阶或多阶滤波器模型，利用频域求解器，通过对输入输出端口进行设置直接计算整个模型的导纳和频率响应；
进一步的，所述基于谐振器BVD模型的一阶SAW滤波器理论频率响应具体包括：根据要求设定中心频率，由带宽的大小(was-wrs或wap-wrp)确定串联谐振器的正谐振角频率wrs和反谐振角频率was以及并联谐振器的正谐振角频率 wrp、和反谐振角频率wap。串、并联谐振器的等效阻抗分别为
w为扫描角频率，C0s和C0p分别表示串并联谐振器的静电容。在阻抗匹配理论下静电容积为
并根据一阶SAW谐振器构成的滤波器的理论频率响应
调整静电容比C0s/C0p。通过静电容积和静电容比即可确定C0s和C0p。
进一步的，根据正反谐振频率，静电容比为
fa、fr分别为正、反谐振频率。动态电容为
反射栅对数Ng决定反射系数Γ＝tanh(Ng*ΔZ)，△Z为阻抗不连续性。动态电阻(Rm)动态电感(Lm)分别为
谐振器导纳为
K2为机电耦合系数，对导纳求倒得到考虑插指对数N和反射栅对数Ng的阻抗并重新算谐振器频率响应
进一步的，换能器的插指对数、孔径大小和反射栅对数的设计，以N和Ng为变量，以理论频率响应为基准对权利3所述的从新计算的频率响应进行调整，当两条频率响应曲线吻合较好时即可计算出N和Ng的大小，换能器孔径大小为
Cn为归一化插指静电容。反射栅采用短路结构，反射栅孔径大小和换能器孔径大小保持一致
进一步的，所述在COMSOL中建立整个声表面波谐振器及由该谐振器构成的一阶或多阶模型直接计算整个模型的导纳和频率响应，具体包括：
利用COMSOL模拟谐振器导纳时，对于串谐振器反射栅(S-1，S-2)端口接地换能器端口S1接电压1V、端口S2接电压0V或地，运用频域求解器，即可得到谐振器的导纳；
将串联谐振器反射栅和并联谐振器反射栅(P-1、P-2)接地，串联谐振器端口S1接终止端口设置功率为1W，端口S2和并联谐振器的换能器端口P1接在一起并接终止端口设置功率为0W，运用频域求解即可模拟一阶滤波器频率响应；对于二阶梯型，所有反射栅接地，端口S1接终止端口设置功率为1W，端口S2 和P1以及串联谐振器2的换能器端口S3一同接入悬浮电位端口，串联谐振器2 的换能器端口S4和并联谐振器2的换能器端口P3同时接终止端口设置功率为0W，运用频域求解即可模拟二阶滤波器频率响应；对于3阶及以上的梯型结构滤波器，只需要同2阶端口设置一样，将输入设置为1W终止端口，输出端口设置为0W终止端口，对于中间级联的部分，以悬浮电位端口相连，然后频域求解模拟器件的频率响应。
进一步的，所述运用频域求解器，设定扫频步长和扫频范围并计算。在 COMSOL结果窗口选择一维绘图——全局——es.Y11绘制导纳结果，在 COMSOL结果窗口选择一维绘图——全局——es.S21dB绘制频率响应结果。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明区别于传统的SAW谐振器器件设计技术。基于BVD模型的一阶 SAW滤波器理论频率响应，结合插指对数、反射栅对数所控制的频率响应和阻抗匹配理论便可直接设计出换能器的插值对数、孔径大小和反射栅对数3个串、并联谐振器的关键和最难设计的参数，再结合波速和频率的关系求得插指周期即可完成SAW器件设计。相比于传统的设计，此设计方法更简单、直接。利用 COMSOL二维模型建模并仿真了整个SAW谐振器和由该谐振器构成的滤波器。突破了传统的2维仿真只仿真单对插指结构，同时在保证求解精度下，避免了3 维建模求解所需的庞大的自由度数，使得求解速度更快。因为是对整个器件的直接仿真，其结果相比于其他仿真方法，也更加接近于器件实物。利用该设计及仿真方法，整个器件从设计到仿真检验更直接，周期更短。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例基于BVD模型的SAW谐振器及滤波器的设计和仿真方法整体流程图。
图2为基于式3和根据式5变化后的式3的一阶滤波器频率响应图。
图3为COMSOL中由单端谐振器构成的一阶串并联谐振器。
图4为COMSOL中由单端谐振器构成的二阶串并联谐振器。
图5为COMSOL串联谐振器导纳模拟结果。
图6为COMSOL一阶滤波器频率响应模拟结果。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
如图1所示按照设计要求，一种基于BVD模型的SAW谐振器及滤波器的设计和仿真方法包括SAW谐振器的设计包括，换能器插指对数、孔径大小的设计以及反射栅的设计。SAW谐振器及其器件的仿真包括，单个谐振器频率响应和导纳的有限元仿真和由该谐振器构成的SAW滤波器的一级和多级频率响应的有限元仿真。
如图2所示，在满足阻抗匹配理论下，根据要求设定中心频率，由带宽的大小确定串并联谐振器的正反谐振频率，并由正反谐振频率和阻抗的关系，以及阻抗和频率响应的关系计算满足理论频率响应要求时的串并换能器静电容，并计算动态电容Cm。
Zs*Zp＝R2
计算反射栅反射系数，动态电阻和动态电感，并由此计算谐振器的导纳。最后将导纳取倒数重新利用阻抗和频率响应的关系计算频率响应如图2中所示。以N，和Ng为变量，以图二上的频率响应为基准对图二中的频率响应进行拟合如图2下图所示，当拟合结果较好时即可确定换能器的插指对数，孔径大小以及反射栅对数。同时采用短路反射栅结构，其孔径大小和换能器孔径大小一致。
Γ＝tanh(Ng*ΔZ)
利用COMSOL模拟谐振器导纳时，如图3所示对于串谐振器反射栅(S-1， S-2)端口接地换能器端口S1接电压1V、端口S2接电压0V或地，运用频域求解器，即可得到谐振器的导纳。
将串联谐振器反射栅和并联谐振器反射栅(P-1、P-2)接地，串联谐振器端口S1接终止端口设置功率为1W，端口S2和并联谐振器的换能器端口P1接在一起并接终止端口设置功率为0W。运用频域求解即可模拟一阶滤波器频率响应。对于二阶梯型结构如图4所示，所有反射栅接地，端口S1接终止端口设置功率为1W,端口S2和P1以及串联谐振器2的换能器端口S3一同接入悬浮电位端口，串联谐振器2的换能器端口S4和并联谐振器2的换能器端口P3同时接终止端口设置功率为0W。运用频域求解即可模拟二阶滤波器频率响应。对于3阶及以上的梯型结构滤波器，只需要同2阶端口设置一样，将输入设置为1W终止端口，输出端口设置为0W终止端口，对于中间级联的部分，以悬浮电位端口相连，然后频域求解模拟器件的频率响应。
最后基于COMSOL的谐振器导纳模拟结果和一阶的频率响应模拟如图5所示，其模拟结果与理想结果在带宽和中心频率上基本保持一致。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。
Claims (6)
1.一种基于BVD模型的SAW谐振器及滤波器的设计方法，其特征在于，包括声表面波谐振器参数的设计步骤；声表面波谐振器的有限元仿真步骤：以及由这些谐振器构成的滤波器的有限元仿真步骤，
其中，声表面波谐振器参数的设计步骤包括，根据设计要求，通过串并联谐振器静电容积和静电容比计算基于谐振器BVD(巴特沃斯-凡戴克)模型的一阶SAW滤波器理论频率响应曲线1；再计算换能器插指对数、反射栅对数控制的谐振器导纳，对导纳求倒再次得到谐振器的阻抗，计算频率响应曲线2，当频率曲线1和2吻合较好时，即可确定换能器插指对数和反射栅对数；孔径W的大小由谐振器静电容确定
Cn为归一化插指静电容；插指周期为
插指宽度和插指间距均为
其中v为声表面波速度，f0为中心频率；
声表面波谐振器及其器件的仿真包括：采用二维模型，在COMSOL多物理场仿真软件中建立整个声表面波谐振器和由该谐振器构成的一阶或多阶滤波器模型，利用频域求解器，通过对输入输出端口进行设置直接计算整个模型的导纳和频率响应。
2.根据权利要求1所述的一种基于BVD模型的SAW谐振器及滤波器的设计方法，其特征在于，根据要求设定中心频率，由带宽的大小(was-wrs或wap-wrp)确定串联谐振器的正谐振角频率wrs和反谐振角频率was以及并联谐振器的正谐振角频率wrp、和反谐振角频率wap，串、并联谐振器的等效阻抗分别为
w为扫描角频率，C0s和C0p分别表示串并联谐振器的静电容，在阻抗匹配理论下静电容积为
并根据一阶SAW谐振器构成的滤波器的理论频率响应
调整静电容比C0s/C0p，通过静电容积和静电容比即可确定C0s和C0p。R为传输阻抗，Zout、Rin为输出、输入阻抗一般均取50Ohm。
3.根据权利要求2所述的一种基于BVD模型的SAW谐振器及滤波器的设计方法，其特征在于，根据正反谐振频率，静电容比为
fa、fr分别为正、反谐振频率。动态电容为
反射栅对数Ng决定反射系数Γ＝tanh(Ng*ΔZ)，△Z为阻抗不连续性。动态电阻(Rm)动态电感(Lm)分别为
谐振器导纳为
K2为机电耦合系数，对导纳求倒得到考虑插指对数N和反射栅对数Ng的阻抗并重新算谐振器频率响应
4.根据权利要求3所述的一种基于BVD模型的SAW谐振器及滤波器的设计方法，其特征在于，换能器的插指对数、孔径大小和反射栅对数的设计，以N和Ng为变量，以理论频率响应为基准对权利3所述的从新计算的频率响应进行调整，当两条频率响应曲线吻合较好时即可计算出N和Ng的大小，换能器孔径大小为
Cn为归一化插指静电容。反射栅采用短路结构，反射栅孔径大小和换能器孔径大小保持一致。
5.根据权利要求所述的一种基于BVD模型的SAW谐振器及滤波器的设计方法，其特征在于，在COMSOL中建立整个声表面波谐振器及由该谐振器构成的一阶或多阶模型直接计算整个模型的导纳和频率响应，具体包括：
利用COMSOL模拟谐振器导纳时，对于串谐振器反射栅(S-1，S-2)端口接地换能器端口S1接电压1V、端口S2接电压0V或地，运用频域求解器，即可得到谐振器的导纳；
将串联谐振器反射栅和并联谐振器反射栅(P-1、P-2)接地，串联谐振器端口S1接终止端口设置功率为1W，端口S2和并联谐振器的换能器端口P1接在一起并接终止端口设置功率为0W，运用频域求解即可模拟一阶滤波器频率响应；对于二阶梯型，所有反射栅接地，端口S1接终止端口设置功率为1W，端口S2和P1以及串联谐振器2的换能器端口S3一同接入悬浮电位端口，串联谐振器2的换能器端口S4和并联谐振器2的换能器端口P3同时接终止端口设置功率为0W，运用频域求解即可模拟二阶滤波器频率响应；对于3阶及以上的梯型结构滤波器，只需要同2阶端口设置一样，将输入设置为1W终止端口，输出端口设置为0W终止端口，对于中间级联的部分，以悬浮电位端口相连，然后频域求解模拟器件的频率响应。
6.根据权利要求5所述的一种基于BVD模型的SAW谐振器及滤波器的设计方法，其特征在于，所述运用频域求解器，设定扫频步长和扫频范围并计算。在COMSOL结果窗口选择一维绘图——全局——es.Y11绘制导纳结果，在COMSOL结果窗口选择一维绘图——全局——es.S21dB绘制频率响应结果。
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