周期性极化的单层和多层铌酸锂压电材料，用于增强的高阶兰姆波声学器件

《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》：Periodically Poled Piezoelectric Single-Layered and Multilayered Lithium Niobate for Thickened High-Order Lamb Wave Acoustic Devices

本研究聚焦于X波段声学器件中厚锂铌酸锂（LN）薄膜的开发，通过优化多层结构、极化方向及厚度比，有效降低机械损耗，提升机电耦合系数和电容密度，减少寄生效应，增强热稳定性。实验表明，双/三层薄膜共振器的品质因数较单层显著提高，温度系数分别为-40和-33 ppm/°C。同时设计的滤波器在9.1 GHz和8.9 GHz中心频率下，插入损耗低至1.2 dB和2.2 dB，带宽达1.7 GHz和1.58 GHz。

　　

摘要：

与用于高频应用的先进薄膜技术不同，本研究专注于开发适用于X波段声学设备的最厚薄膜，旨在同时降低机械损耗、最大化机电耦合、提高电容密度、减少寄生效应并增强热稳定性。本文对利用周期性极化锂铌酸盐（LN）单层和多层薄膜的Lamb波声学设备进行了全面的理论和实验分析。通过调整极化方向、层数以及层间厚度比，本研究展示了在不同LN层中激发高阶模式的灵活性。在完美厚度匹配的情况下，所制造的双层和三层周期性极化压电薄膜（P3F）谐振器表现出与单层谐振器相当的共振频率（k₂），且没有额外的寄生谐波，同时机械品质因数（Q_m）显著提高。值得注意的是，第三阶和第四阶Lamb波模式的Q_m提高了三倍，凸显了P3F在高频和高Q值谐振应用中的潜力。除了谐振器外，本研究还展示了基于不同LN层的滤波器。基于单层P3F的滤波器中心频率为6.2 GHz，带宽为1.04 GHz，第一种设计的最低插入损耗为9.1 GHz，带宽为1.7 GHz，最低插入损耗为1.2 dB；第二种设计的中心频率为8.9 GHz，带宽为1.58 GHz，最低插入损耗为2.2 dB。双层和三层P3F谐振器的频率温度系数（TCF）分别为-40 ppm/°C和-33 ppm/°C，这表明多层结构在提高热稳定性方面具有潜力。这些发现……

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引言

随着数据传输速率需求的不断增长，迫切需要开发具有更高频率和更宽带宽的射频前端（RFFE）设备[1]。第五代无线通信标准同时支持sub-6 GHz和毫米波（mmWave）频段。尽管高频电磁波的传播损耗会增加，但sub-6 GHz频段仍然是全球的主流选择。然而，随着频段数量的不断增加，sub-6 GHz频段变得非常拥挤，因此探索X波段或Ku波段等更高频率的频段将成为进一步提升数据传输量的有效途径[2]。