【摘 要】
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随着第五代（5G）移动通信时代的到来,为了满足5G通信技术对更高通信传输速率、更密集连接密度和更大通信数据量的需求,要求广泛应用于射频前端中的声表面波（SAW）滤波器要具有更大的带宽、更低的损耗和更高的频率温度稳定性。为此,对铌酸锂（LiNbO3）/SiO2/Si多层膜结构SAW滤波器的研究成为了近年来的热点。这是因为铌酸锂单晶薄膜具有较大的机电耦合系数（K~2）、SiO2具有频率温度系数（TCF
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随着第五代（5G）移动通信时代的到来,为了满足5G通信技术对更高通信传输速率、更密集连接密度和更大通信数据量的需求,要求广泛应用于射频前端中的声表面波（SAW）滤波器要具有更大的带宽、更低的损耗和更高的频率温度稳定性。为此,对铌酸锂（LiNbO3）/SiO2/Si多层膜结构SAW滤波器的研究成为了近年来的热点。这是因为铌酸锂单晶薄膜具有较大的机电耦合系数（K~2）、SiO2具有频率温度系数（TCF）补偿特性、同时Si基片又具有较低的成本,所以通过对IDT/LiNbO3/SiO2/Si多层膜结构中SAW传播特性的优化,可以使其获得较大的K~2和接近于零的TCF,这对于设计制作大带宽、低损耗和高频率温度稳定性的SAW滤波器具有重要意义。本文对SAW滤波器的设计主要分为三步:首先对LiNbO3欧拉角进行优化;其次对IDT/LiNbO3/SiO2/Si多层膜结构中SAW传播特性的优化;最后优化设计IDT/LiNbO3/SiO2/Si结构SAW单端谐振器以及SAW梯形滤波器。具体研究成果如下:利用有限元仿真软件COMSOL Multiphysics研究LN/SiO2/Si结构中YX-LiNbO3的旋切角θ和XY-LiNbO3传播角ψ对SH-SAW传播特性的影响,得出30°YX-LiNbO3和X（-10°）Y-LiNbO3使得SH-SAW具有较大机电耦合系数,同时其他模式的机电耦合系数得到很好地抑制。在COMSOL软件中建立了IDT/LiNbO3/SiO2/Si结构2.5维周期性模型,研究优化切向后的IDT/X（-10°）Y-LiNbO3/SiO2/Si和IDT/30°YX-LiNbO3/SiO2/Si结构中LiNbO3膜厚、SiO2膜厚、电极膜厚和金属化率,以及电极材料对SH-SAW的相速度,机电耦合系数和频率温度系数的影响。并对IDT/LiNbO3/SiO2/Si结构中两种切型LiNbO3进行系统的对比,得出30°YX-LiNbO3优势更大,K~2可达到39.36%,TCF低至-10ppm/℃。在COMSOL软件中建立了IDT/YX-LiNbO3/SiO2/Si结构准三维有限长单端谐振器模型,计算其导纳特性并分析了反射栅根数和IDT指条数对其电学特性的影响。仿真结果表明,当IDT为150对,反射栅为25对时,SH-SAW单端谐振器具有良好的性能。最后,利用优化后的SH-SAW单端谐振器结果,提取谐振器MBVD等效模型各元件参数。在ADS中对SAW梯形滤波器的阶数与谐振器静电容C0进行仿真分析,获得了中心频率为1.85GHz、带宽为400MHz、插入损耗小于2dB、带外抑制大于40dB的高阶梯形射频SAW滤波器的最优拓扑结构。
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