[发明专利]基于降维PDE模型的声表面波谐振器的频响特性分析方法

说明书

本发明属于声表面波滤波器的数值计算技术领域，具体涉及一种基于降维PDE模型的声表面波谐振器的频响特性分析方法，包括：获取声表面波谐振器的结构数据；将数据输入到降维PDF模型中，得到表征声表面波谐振器的偏微分方程组；采用有限元法对偏微分方程组进行求解，得到表征声表面波谐振器的系统矩阵；采用有限元自由度压缩法和降阶技术对系统矩阵进行消除无需关注的自由度处理，并采用周期性边界条件对左右边界的自由度进行消除，得到消除自由度后的系统矩阵方程；对系统矩阵方程进行求解，得到声表面波谐振器的频响特性；本发明通过采用有限元自由度压缩法和降阶技术消除了不相关的自由度，可以在指向性区域实现均匀的残留声场。

技术领域

本发明属于声表面波滤波器的数值计算技术领域，具体涉及一种基于降维PDE模型的声表面波谐振器的频响特性分析方法。

背景技术

表面声波(SAW)器件在电子系统中用作谐振器，主要应用于。由于其出色的性能(低插入损耗、高隔离度、成本低、小体积等)已大量生产并广泛用于当前的国防军工、移动通信，物联网和汽车电子等领域。随着5G移动通讯和高精尖国防军工的需求对SAW器件的性能提出了越来越严格的要求。这促进了大量新型SAW设备的出现，例如温度补偿型TC-SAW器件，高性能IHP SAW器件，超高频XBARSAW器件。为了满足对高性能SAW器件不断增长的需求，具有更为复杂的多层薄膜结构的新型SAW器件不断涌现。因此，SAW器件领域一直在寻找解决方案，以获得用于表征SAW谐振器的更通用，快速和精确的仿真工具。

目前，可以采用FEM/BEM或基于纯FEM的分层级联技术(HCT)对有限长度谐振器进行精确计算来获得谐振器的详细信息。然而，由于当前计算机内存和速度的限制，即使采用最新的GPU-HCT技术也有太多的例子表明有限长度谐振器的特性不能快速有效地表征。纯二维和三维有限元法通常是有效且相当灵活处理任意材料切割、电极形状和多层基体等SAW器件的数值计算方法。但是在有限元计算中，为了保证数值模拟的精度，需要有足够数量的节点和自由度数。然而，节点和自由度数越多，需要的消耗的计算机资源就越多。

基于二维或三维有限元法的声表面波滤波器周期性分析仍然需要计算所有的自由度，消耗大量的计算机内存，很难实现快速表征声表面波滤波器特性。基于周期格林函数的声表面波滤波器周期性分析方法对传统的声表面波滤波器可行的，对多层复杂结构的新型声表面波滤波器而言，建立多层复杂结构的格林函数就变得相当困难，所消耗的计算时间大幅度的增加，无法实现声表面波滤波器特性的快速精确表征。

发明内容

为解决以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于降维PDE模型的声表面波谐振器的频响特性快速分析方法，该方法包括：获取声表面波谐振器的结构数据；对该数据进行预处理，将预处理后的数据输入到降维PDF模型中，得到表征声表面波谐振器的偏微分方程组；采用有限元法对偏微分方程组进行求解，得到表征声表面波谐振器的系统矩阵；采用有限元自由度压缩法和降阶技术对系统矩阵进行消除自由度处理；采用周期性边界条件对系统矩阵的左右边界自由度进行消除处理，得到消除自由度后的系统矩阵方程；对消除自由度后的系统矩阵方程进行求解，得到声表面波谐振器的频响特性。

优选的，获取声表面波谐振器的结构数据包括：声表面波谐振器传播方向上的结构数据，声表面波谐振器孔径方向上的结构数据，声表面波谐振器深度方向上的结构数据以及声表面波谐振器材料数据。

优选的，表征声表面波谐振器为双指结构。

优选的，采用降维PDF模型对数据进行处理的过程包括：将声表面波谐振器材料数据输入到降维PDF模型中，实现由晶轴坐标系到卡迪尔坐标系的转换；跟据转换坐标后的参数表征声表面波谐振器的偏微分方程组；所述声表面波谐振器材料数据包括谐振频率、谐振器计算参数、电极厚度计算参数以及压电材料参数。

优选的，采用有限元法对偏微分方程组进行处理的过程包括：对声表面波谐振器的拓扑结构进行网格划分，定义谐振器的物理属性，跟据定义的物理属性提取表征声表面波谐振器的系统矩阵。