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专利名称：基于有限元和COM模型的DMS滤波器设计方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202210563669.6

专利申请（专利权）人：重庆邮电大学
权利人地址：重庆市南岸区南山街道崇文路2号

专利发明（设计）人：王巍,谭纪伟,王方,滕洪菠,张迎

专利摘要：本发明请求保护一种基于有限元和COM模型的DMS滤波器设计方法，属于电子元件设计领域。包括利用COMSOL中提取COM参数，随后利用SimplyFortran建立DMS滤波器的COM模型并计算结构参数的方法。其提取COM耦合模型参数的计算方法包括模态分析和频域分析，其中模态分析求得反射系数，中心频率，声表面波波速以及机电耦合系数；频域分析求得换能系数，以及静电容。随后利用提取的COM参数在Simply?Fortran中计算滤波器的电极厚度，输入输出叉指对数(Interdigital?Transducer,IDT)，反射栅数量等参数。本发明目在于能够利用COMSOL仿真的方式提取COM模型参数，不采用实验的方式进行参数提。醵塘松杓剖奔，提高了设计效率。最后利用COM参数在SimplyFortran中便捷的设计出DMS滤波器，并得到其散射参数(S21)。

主权利要求：
1.一种基于有限元和COM模型的DMS滤波器设计方法，其特征在于，包括：利用软件COMSOL中提取COM参数的FEM有限边界元法的步骤，以及在软件SimplyFortran中计算DMS滤波器结构参数的步骤；其中，所述利用软件COMSOL中提取COM参数的FEM步骤包括模态分析步骤和频域分析步骤，其中模态分析步骤求得反射系数、中心频率，声表面波波速以及机电耦合系数；频域分析步骤求得换能系数，以及静电容；
随后利用提取的COM参数在SimplyFortran中计算滤波器的电极厚度，输入输出叉指对数IDT、反射栅数量在内的参数；
根据压电衬底材料的弹性模量，介电常数参数，即可采用双指有限元模型提取反射系数和声表面波速度，根据这两个参数可以求出压电衬底的代码参数结果，这时候利用频域分析与模态分析的结果求得左侧反射栅电极、左侧输出叉指电极、中心输入叉指电极的部分参数结果，随后将该结果带入DMS滤波器由P矩阵编写的COM模型中，求得P矩阵结果，再利用压电衬底的结果和结构左侧反射栅电极、左侧输出叉指电极、中心输入叉指电极的结果联立求解得到DMS滤波器的输入输出结构参数，最后根据所设计的DMS滤波器结构参数得到DMS滤波器的S21性能图；
所述模态分析步骤求得反射系数、中心频率以及机电耦合系数，具体包括：
首先建立模态分析模型，包括：两根叉指电极、36°YX?LiTaO3压电材料、完美匹配层、周期性边界条件和固定约束，其中叉指电极设置于36°YX?LiTaO3压电材料的顶部，完美匹配层设置于36°YX?LiTaO3压电材料的底部，固定约束设置于完美匹配层底部，36°YX?LiTaO3压电材料的左右两端设置有周期性边界条件，叉指电极材料为铝，模型宽度为一个波长；根据所建立的模态分析求得谐振频率和反谐振频率，利用公式：f0＝(fs+fas)/2
求得中心频率，其中，fas为谐振频率、fap为反谐振频率、fo为中心频率，根据公式：
v0＝f0λ
求得声表面波波速，其中，vo为声表面波波速，λ为求解模态分析时所用波长；根据公式：
求得反射系数，其中K为反射系数，根据公式：
求得机电耦合系数，其中K2为机电耦合系数，vm为建立模态分析模型时的自由声表面波速度；
所述利用频域分析步骤求得换能系数，以及静电容，具体包括：
首先建立频域分析模型，包括：叉指电极、左侧反射栅电极、电压输入输出端口、右侧反射栅电极及36°YX?LiTaO3，其中36°YX?LiTaO3为基底，36°YX?LiTaO3上方设置有叉指电极、左侧反射栅电极、电压输入输出端口、右侧反射栅电极，其中左侧输出叉指电极、左侧反射栅电极相邻设置，右侧反射栅电极和右侧输出电极相邻设置；
根据公式：
2 2
求得换能系数，其中，a 为换能系数、Ymax为频域分析的导纳实部最大值、K 为机电耦合系数、K为反射系数、L为电极数目N与模型波长λ的乘积；根据公式：Yi(f0)＝2πf0CFN
求得静电容，其中，CF是静电容、Yi(fo)是频域分析的导纳虚部最大值、fo为中心频率、N为电极数目。
2.一种基于权利要求1所述方法的DMS滤波器，其特征在于，包括：压电材料36°YX?LiTaO3，其中压电材料36°YX?LiTaO3上从左往右依次间隔设置左侧反射栅电极、左侧输出叉指电极、中心输入叉指电极、右侧输出叉指电极、右反射栅电极、压电材料36°YX?LiTaO3，其中，电信号经由电极(4)输入，与压电材料36°YX?LiTaO3共同作用，将输入电信号转变为声表面波，声表面波由中心输入叉指电极向两侧的左侧输出叉指电极、右侧输出叉指电极进行传播，声表面波传播到左侧输出叉指电极、右侧输出叉指电极向对应左右两侧反射栅传播的声表面波反射回来的波共同形成一个通带，在这个频率范围内的信号将被传输过去，其余频段的信号将被抑制，在输出叉指电极处，叉指电极将声表面波转换为电信号由输出端口向外传播，经此完成一个滤波过程。
3.根据权利要求2所述的DMS滤波器，其特征在于，所述输入叉指电极数目为33.5对、输出叉指电极数目为20.5对、反射栅数目为75对、反射栅周期为2.205μm、输入输出叉指电极周期为4.41μm、输入输出叉指电极之间的距离ls为0.005*λ、输出叉指电极与反射栅之间的距离lg为0.25*λ、铝电极厚度h为0.136*λ、孔径为32*λ，λ为输入输出叉指电极周期。 说明书 : 基于有限元和COM模型的DMS滤波器设计方法技术领域[0001] 本发明属于电子元件设计领域，尤其涉及到DMS滤波器的设计方法。背景技术[0002] 目前声表面波滤波器(SurfaceAcousticWaveFilter，SAWF)大量应用于相控阵雷达、卫星通信、移动通信领域，具有体积小、稳定性高、抗干扰能力强、选择性高等特点。[0003] 声表面波滤波器主要有两种类型，梯形声表面波滤波器(LadderSAW)和双模耦合声表面波滤波器(DoubleModeSAW,DMS)，其中DMS结构因为其带外抑制较高和体积比较小的特点而广泛应用于双工器和滤波器设计中。目前DMS滤波器主要采用LiNbO3和LiTaO3作为压电基底材料。再设计DMS滤波器时往往采用实验方法提取COM参数，建立DMS滤波器的COM模型，最后对其进行设计。本文采用有限元和COM模型结合的方式给出了一种DMS滤波器设计方法，并设计出一款DMS滤波器。[0004] 本发明耦合了温度场和电磁场的多物理场耦合模型，同时能够对设计出的声表面滤波器的性能参数进行进一步的优化设计，减小了设计出的声表面滤波器性能参数与产品之间的误差。该专利主要侧重于滤波器的优化方法，并未详细讲解滤波器的设计方法，只是对设计滤波器的过程一笔带过。而本专利给出了通过有限元模型设计出DMS滤波器的具体步骤，且本专利所采用的有限元模型区别于该专利，该专利采用单指模型，本专利采用双指模型进行分析，并提出了怎样利用本文的模型计算COM参数，最后通过建立的COM模型设计DMS滤波器，与该专利有着明显区别。且单指模型只能模拟信号的流入或流出，无法同时对其共同模拟，本文采用的双指模型能够同时对信号的流入和流出进行模拟。克服了无法同时对信号流入流出进行模拟的问题。发明内容[0005] 本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种基于有限元和COM模型的DMS滤波器设计方法。本发明的技术方案如下：[0006] 一种基于有限元和COM模型的DMS滤波器设计方法，其包括：利用软件COMSOL中提取COM参数的FEM(FiniteElementMethod，有限边界元法)的步骤，以及在软件SimplyFortran中计算DMS滤波器结构参数的步骤；其中，所述[0007] 利用软件COMSOL中提取COM参数的FEM的步骤包括模态分析步骤和频域分析步骤，其中模态分析步骤求得反射系数、中心频率以及机电耦合系数；频域分析步骤求得换能系数，以及静电容；[0008] 随后利用提取的COM参数在SimplyFortran中计算滤波器的电极厚度，输入输出叉指对数IDT、反射栅数量在内的参数。[0009] 该方法具有普适性，只需要知道所用压电衬底材料的弹性模量，介电常数等参数，即可迅速采用双指有限元模型提取反射系数和声表面波速度，根据这两个参数可以求出压电衬底27的代码参数结果，这时候利用频域分析与模态分析的结果求得结构22,、23、24的部分参数结果，随后将该结果带入DMS滤波器由P矩阵编写的COM模型中，求得P矩阵结果，再利用压电衬底的结果和结构22、23、24的结果联立求解得到DMS滤波器的输入输出结构参数等，最后根据所设计的DMS滤波器结构参数得到DMS滤波器的S21性能图。整体设计过程在很短的时间内即可初步完成对DMS滤波器的设计。但是采用传统的方法，需要先去将采用实验制造的方法制作出器件，随后对所制备器件的电性能参数进行测量，随后利用公式计算的方法提取COM参数，建立COM模型。整个流程下来，至少需要一个月时间才能初步设计DMS滤波器，耗时又费力，且初始成本也高。相比之下，由于采用了P矩阵建立的COM模型设计DMS滤波器的方法，后续还可以融入遗传算法，将DMS滤波器的各个参数进行优化。因此，该设计方法不仅能在极短的时间内初步得到DMS滤波器结构参数，且能够保证DMS滤波器参数性能的优良。[0010] 进一步的，所述模态分析步骤求得反射系数、中心频率以及机电耦合系数，具体包括：[0011] 首先建立模态分析模型，包括：两根叉指电极、36°YX?LiTaO3压电材料、完美匹配层、周期性边界条件、固定约束，其中叉指电极设置于36°YX?LiTaO3压电材料的顶部，完美匹配层设置于36°YX?LiTaO3压电材料的底部，固定约束设置于完美匹配层底部，36°YX?LiTaO3压电材料的左右两端设置有周期性边界条件，叉指电极材料为铝，模型宽度为一个波长；根据所建立的模态分析求得谐振频率和反谐振频率，利用公式：[0012] f0＝(fs+fas)/2[0013] 求得中心频率，其中，fas为谐振频率、fap为反谐振频率、fo为中心频率。根据公式：[0014] v0＝f0λ[0015] 求得声表面波波速，其中，vo为声表面波波速，λ为求解模态分析时所用波长。根据公式：[0016][0017] 求得反射系数，其中K为反射系数。根据公式：[0018][0019] 求得机电耦合系数，其中K2为机电耦合系数，vm为建立模态分析模型时的自由声表面波速度。[0020] 进一步的，所述利用频域分析步骤求得换能系数，以及静电容，具体包括：[0021] 首先建立频域分析模型，包括：叉指电极、左侧反射栅电极、电压输入输出端口、右侧反射栅电极及36°YX?LiTaO3，其中36°YX?LiTaO3为基底，36°YX?LiTaO3上方设置有叉指电极、左侧反射栅电极、电压输入输出端口、右侧反射栅电极，其中左侧输出叉指电极、左侧反射栅电极相邻设置，右侧反射栅电极和右侧输出电极相邻设置。[0022] 进一步的，所述的一种基于有限元和COM模型的DMS滤波器设计方法，其特征在于，根据公式：[0023][0024] 求得换能系数，其中，a2为换能系数、Ymax为频域分析的导纳实部最大值、K2为机电耦合系数、K为反射系数、L为电极数目N与模型波长λ的乘积。根据公式：[0025] Yi(f0)＝2πf0CFN[0026] 求得静电容，其中，CF是静电容、Yi(fo)是频域分析的导纳虚部最大值、fo为中心频率、N为电极数目。[0027] 一种基于任一项所述方法的DMS滤波器，其包括：压电材料36°YX?LiTaO3，其中压电材料36°YX?LiTaO3上从左往右依次间隔设置左侧反射栅电极、左侧输出叉指电极、中心输入叉指电极、右侧输出叉指电极、右反射栅电极、压电材料36°YX?LiTaO3，其中，电信号经由输入叉指输入与压电材料36°YX?LiTaO3共同作用，将输入电信号转变为声表面波，声表面波由中心输入叉指电极向两侧的左侧输出叉指电极、右侧输出叉指电极进行传播，声表面波传播到左侧输出叉指电极、右侧输出叉指电极向对应左右两侧反射栅传播的声表面波反射回来的波共同形成一个通带，在这个频率范围内的信号将被传输过去，其余频段的信号将被抑制，在输出叉指电极处，叉指电极将声表面波转换为电信号由输出端口向外传播，经此完成一个滤波过程。[0028] 进一步的，所述输入叉指电极数目为33.5对、输出叉指电极数目为20.5对、反射栅数目为75对、反射栅周期为2.205μm、输入输出叉指电极周期为4.41μm、输入输出叉指电极之间的距离ls为0.005*λ、输出叉指电极与反射栅之间的距离lg为0.25*λ、铝电极厚度h为0.136*λ、孔径为32*λ，λ为输入输出叉指电极周期。[0029] 本发明的优点及有益效果如下：[0030] 本发明结合COMSOL软件提取COM参数的便捷以及SimplyFortran建立COM模型的便捷，两个模块的结合可以快速设计出DMS滤波器，避免了实验提取COM耦合参数繁琐的问题，大大减小了器件的设计周期。采用本设计可以直接利用文献中已知的材料参数提取COM参数，设计DMS滤波器，初步设计出DMS滤波器时间不会超过半天，具有很高的时效性。且该方法可以适用于所有DMS滤波器的设计，普适性非常广。[0031] 使用COMSOL软件提取COM参数方便快捷，建立的模态分析模型和频域分析模型体量较。扑慊梢院芸旒扑愠隼，常规的普通电脑也可以满足。模态分析可以快速提取出中心频率、机电耦合系数、反射系数、声表面波波速，而频域分析可以提取出静电容和换能系数。[0032] 而传统的实验方法，需要通过将器件制备出来，测得器件的工作频率，同时对其施加电压等一系列复杂手段测得其COM参数，过程繁琐、耗时长、成本高，而直接利用COMSOL提取COM参数的优点就显得非常明显。并且提取出来的COM参数设计的DMS滤波器可以后续采用COMSOL进行优化，不必担心与实际器件性能相差太远。并且通过该方式设计出了一款DMS滤波器，其参数为：输入叉指电极数目为33.5对、输出叉指电极数目为20.5对、反射栅数目为75对、反射栅周期为2.205μm、输入输出叉指电极周期为4.41μm、输入输出叉指电极之间的距离ls为0.005*λ(λ为输入输出叉指电极周期)、输出叉指电极与反射栅之间的距离lg为0.25*λ、铝电极厚度h为0.136*λ、孔径为32*λ。[0033] 本发明相对于传统的设计在一定程度上解决了传统设计方法出现的问题，具有如下突出的优点：[0034] 本文所采用方式具有普适性，只需要知道所用压电衬底材料的弹性模量，介电常数等参数，即可迅速采用COMSOL提取COM参数，随后直接利用SimplyFortran软件进行计算，整体设计过程不到半天时间即可初步完成对DMS滤波器的设计。但是采用传统的方法，需要先去将采用实验制造的方法制作出器件，随后利用测试的参数提取COM参数，建立COM模型。整个流程下来，至少需要一个月时间才能初步设计DMS滤波器，耗时又费力，且初始成本也高，相比之下。相比之下，本文优势明显，且兼具独特性。附图说明[0035] 图1是本发明提供优选实施例模态分析结构；[0036] 图2为模态分析结果；[0037] 图3为频域分析结构；[0038] 图4为频域分析结果；[0039] 图5为DMS滤波器结构；[0040] 图6为DMS滤波器结果；具体实施方式[0041] 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。[0042] 本发明解决上述技术问题的技术方案是：[0043] 本发明提出DMS滤波器设计方法，采用COMSOL提取COM参数，随后利用SimplyFortran建立DMS滤波器的COM模型，设计出一款采用36°YX?LiTaO3作为压电衬底的DMS滤波器。[0044] 如附图1所示，采用单端对结构，并建立模型，其结构1和结构7为周期性边界条件、结构2为叉指电极且材料为铝、结构3为36°YX?LiTaO3压电材料、结构4表示模型宽度为一个波长、结构5为完美匹配层、结构6为一个固定约束。[0045] 可以看到，在附图2中显示了模态分析的结果。对其进行分析可得：在λ＝4.42μm，h/λ＝3％的先决条件下，36°YX?LiTaO3压电材料的机电耦合系数K2＝4.29％。为了提高精确度，保留了小数点后两位。对称模态频率为878.2MHz，反对称模态频率为879.3MHz，谐振频率为878.8MHz，声表面波速度为3883.90m/s，反射系数KP＝0.41％。[0046] 这时，如附图3所示，展示了频域分析的模型，其中：结构11为所有叉指电极均为铝电极、结构12表示反射栅电极、结构13表示电压输入输出端口，且交叉排列、结构14表示反射栅电极、结构15表示36°YX?LiTaO3，结构16表示完美匹配层。[0047] 可以看到采用频域分析的结果如附图4所示：求得频域分析的导纳实部和导纳虚部，求得总的静电容CF。随后利用频域分析的L和前文计算的反射系数K，以及静电容CF，求解换能系数αn。根据仿真计算分别得到压电衬底波速v为3883.90m/s，反射系数KP为0.41％，换?5 ?1/2 ?5 2能系数αn为39.68·10 Ω ，总静电容Cn为33.21·10 pF/μm，机电耦合系数K为4.29％。[0048] 如附图5所示展示了DMS滤波器二维平面结构，其：结构21表示所有叉指电极为铝电极、结构22表示左侧反射栅电极、结构23表示左侧输出叉指电极、结构24表示中心输入叉指电极、结构25表示右侧输出叉指电极、结构26表示右反射栅电极、结构27表示压电材料36°YX?LiTaO3，结构28表示完美匹配层。[0049] 根据附图5所述的一种DMS滤波器的设计模型，其输入叉指电极数目为33.5对、输出叉指电极数目为20.5对、反射栅数目为75对、反射栅周期为2.205μm、输入输出叉指电极周期为4.41μm、输入输出叉指电极之间的距离ls为0.005*λ(λ为输入输出叉指电极周期)、输出叉指电极与反射栅之间的距离lg为0.25*λ、铝电极厚度h为0.136*λ、孔径为32*λ。[0050] 整体滤波过程如下文所示:[0051] 电信号经由输入叉指换能器输入，叉指换能器与压电衬底共同作用，将输入电信号转变为声表面波，声表面波由中心输入叉指电极向两侧的输出叉指电极进行传播，声表面波传播到输出叉指电极与输出叉指电极向反射栅传播的声表面波反射回来的波共同形成一个通带，在这个频率范围内的信号将被传输过去，其余频段的信号将被抑制，在输出叉指电极处，叉指电极将声表面波转换为电信号由输出端口向外传播，经此完成一个滤波过程。[0052] 本发明提出一种DMS滤波器的设计方法，通过COMSOL提取COM参数，随后利用该参数建立DMS滤波器的COM模型。[0053] 其包括三个部分：[0054] (1)使用COMSOL建立模态分析结构，求得中心频率、机电耦合系数以及反射系数、(2)使用COMSOL建立频域分析结构，求得换能系数以及静电容、(3)根据COMSOL提取的COM参数建立COM模型，并得到DMS滤波器的频响，如附图6所示。[0055] 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。[0056] 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。

专利地区：重庆

专利申请日期：2022-05-23

专利公开日期：2024-11-29

专利公告号：CN114826202B