阶梯形IDT结构的仿真研究

摘 要:提出一种叉指换能器的新结构,并用δ函数模型对其进行了分析仿真。结果表明,该结构克服了传统设计仿真时需加入反射栅或反射器来模拟叉指换能器内反射的缺点,大大缩减了δ函数模型仿真的繁杂性,通过自身结构的优化来模拟叉指换能器内反射,并运用δ函数对其建模,然后通过Matlab对其仿真。仿真结果表明,应用此结构设计出的叉指换能器主峰曲线较好,旁瓣抑制较大,达到设计要求,其设计效率高,实用性强。

关键词:阶梯形;IDT;优化设计;δ函数模型

中图分类号:TN722文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)06-176-02

Research on Ladder-shaped IDT

XU Xipin,WANG Daiqiang,LIU Qiao

(College of Science,Guizhou University,Guiyang,550025,China)

Abstract:A new structure of IDT is presented,it is analyzed and simulated with δ function model.The results show that the ladder-shaped IDT can overcome shortcomings of adding reflection grating or reflector to simulate the internal reflection of IDT in traditional design and simulation,greatly reduce complexity of the simulation with δ function model,imitate its internal reflection with evolutionary structure and then simulate with Matlab.The simulation results show that simulation of the ladder-shaped IDT can get good main peak curve and larger side-lobe suppression to meet the design requirements,this method is efficient and practical.

Keywords:ladder-shaped;IDT;evolutionary design;δ function model

声表面波(SAW)器件是一种利用声表面波对电信号进行模拟处理的器件,它是在压电基片上制作两个声-电换能器,即发射叉指换能器和接收叉指换能器。叉指换能器[5]就是在压电基片表面上形成形状像两只手的手指交叉状的金属图案。它的作用是实现声-电和电-声换能。声表面波器件的工作原理是:基片左端的换能器(输入换能器)通过逆压电效应将输入的电信号转变成表面声信号,此声信号沿压电介质表面传播,最终由右边的换能器(输出换能器)将表面声信号转变成电信号输出。整个声表面波器件的功能是通过对在压电介质上传播的声信号进行各种处理,并利用声-电和电-声换能器的特性来完成的。正确设计的叉指换能器可以使声表面波器件具有十分出色的性能。在此提出一种新的IDT结构,并对其进行分析、建模和仿真。

1 叉指换能器[6]

叉指换能器(IDT)是SAW器件的核心部分,其基本结构如图1所示,组成IDT的参数主要有电极对数(周期数N)、IDT声孔径(电极重叠长度W)、叉指电极宽度a、叉指电极间隔b和叉指电极金属层厚度h,这些共同决定了该换能器的中心频率f0。

δ函数模型是IDT最简单的一个模型,它广泛应用于器件设计中,具有合适的精确性,但是这种模型不能把IDT内反射影响包括进去,而其有时会严重影响器件的性能。目前解决的办法是建立反射栅或者反射器来模拟IDT的内反射,在此提出一种新的阶梯形IDT结构,通过自身的结构解决内反射,减少了增加反射栅的繁琐设计,大大提高SAW器件的性能。

图1 均匀的IDT

1.1 阶梯形IDT结构图

如图2所示,边长呈2a梯形增加,电极宽度为a,电极间隔为b,声孔径变长,即W为一个变量,压电基片材料选择的是AlN薄膜。

图2 阶梯形IDT结构图

1.2阶梯形IDT的δ函数模型的建立

δ函数模型是叉指换能器的一种最简单的分析模型。因为一般在压电体内电场E通过压电效应激发声波的激发源是电场梯度而不是电场大小,而叉指换能器中叉指电极边缘处的电场变化最剧烈,电场梯度最大,所以Tancrell等首先提出将叉指换能器中每一叉指电极边缘看成是一个独立声波源,并用δ函数来定义。本文将叉指电极上一个边长为a的正方形看成一个独立声波源,可以用δ函数来表示,那么叉指上的声源分布则与xi方向上的位置有关,可以用δ函数表示为:

Iiδt-xi+(1/2)aiv+δt-xi-(1/2)aiv〗(1)

式中:ai为叉指电极的宽度;Ii为第i根叉指的声源强度。

如图2所示,第一根电极上的声源强度可以看成是4个边长为a的正方形和,则可以表示为:

4Iiδt-xi+(1/2)aiv+δt-xi-(1/2)aiv〗(2)

那么,左边5根电极上的声源强度可以表示为:

h(t)=∑5i=14iIiδt-xi+(1/2)aiv+

δt-xi-(1/2)aiv〗(3)

式(3)可以很好地描述阶梯形IDT的声源强度,对其进行傅里叶变换,则可以很好地描述阶梯形IDT的频率响应,并保留了IDT的内反射。

整个叉指换能器所对应的声源分布为:

h(t)=∑5i=14iIiδt-xi+(1/2)aiv+

δt-xi-(1/2)aiv〗+

∑ni=620Iiδt-xi+(1/2)aiv+δt-xi-(1/2)aiv〗(4)

因为叉指换能器可以看成是一个横向滤波器,而横向滤波器的频响是场源分布的傅里叶变换,所以叉指换能器的频响为:

H(f)=∫∞-∞h(t)e-jωtdt(5)

将式(4)代入式(5)即可得:

H(f)=∑5i=18iIicosωai2vexp-jωxiv+

∑ni=640Iicosωai2vexp-jωxiv(6)

设:

ω=ω0+Δω(7)

ω=2πf0(8)

由a=(1/4)(v/f0)可以得到:

ai=(i-1)(λ0/2)(9)

由式(7),(8)可以计算出:

cosωai2v22(10)

将式(9),(10)代入式(6)中,则可以得到:

H(f)=∑5i=142iIie-j(i-1)ff0π+∑ni=6202Iie-j(i-1)ff0π(11)

式中:Ii(i=1,2,…,n)与叉指电极的极性相对应,交替取正负相间的值,若令2|Ii|=E0(E0为每对叉指电极激发波的振幅),则式(11)可以化简为:

H(f)=∑5i=1(-1)i-14iE0e-j(i-1)ff0π+

∑ni=6(-1)i-120E0e-j(i-1)ff0π

上式很好地采用δ函数模型描述了图2中IDT的频响。

1.3 模型仿真结果

采用图2所示的IDT的结构,对各参数取值如下:中心频率f0=900 MHz;输入叉指换能器电极对数N=15;输出叉指换能器电极对数M=10;对δ函数模型进行仿真,得到相对插入损耗曲线如图3所示。

图3 阶梯形IDT插入损耗图

比较图3,图4可以看出,阶梯形IDT主峰曲线较好,旁瓣抑制较大,可以达到预期的目标。

图4 均匀IDT插入损耗图

2 结 语

这里首次提出了一种新阶梯形的IDT结构,并通过适当的δ函数模型计算出其频率响应,通过Matlab软件仿真得以验证。通过仿真图形可以看出,阶梯形IDT结构具有较好的主峰曲线,较高的旁瓣抑制,具有较高的通带性,并消除了以前IDT结构使用δ函数模型仿真时没有考虑到内反射的缺点,减少了设计的复杂性,实际生产中可以根据需求来决定梯形结构的对数,阶梯形结构的对数与频率的关系有待于进一步研究。

参考文献

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