基于测量与仿真的LiNbO3/SiO2/Si声表面波（SAW）谐振器中谐波非线性信号产生机制的研究

《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》：Study on Generation Mechanism of Harmonic Nonlinear Signals in LiNbO3/SiO2/Si SAW Resonators Based on Measurement and Simulation

压电表面声波共振器的谐波非线性机制研究显示，电场自混频是二阶谐波响应的主因，压电应变耦合为次因。通过优化30°YX-LiNbO3/SiO2/Si结构中IDT的倾斜角（16°时二阶谐波降低10dBm，三阶降低15dBm），结合FEM与微扰理论建模，证实了横向模式应变场对非线性抑制的关键作用。

　　

摘要：

本研究从理论和实验角度探讨了压电-绝缘体表面声波（POI-SAW）谐振器的谐波非线性特性。首先，制备了基于30°YX-LiNbO3/SiO2/Si层状结构的POI-SAW谐振器，并配备了不同倾斜角度的叉指换能器（IDTs），测量了其线性和非线性响应。通过结合有限元方法（FEM）和微扰理论，建立了一个扩展的三维非线性模型，以分析这类层状结构中谐波非线性信号的生成机制。通过将FEM仿真结果与实验数据对比，确定了主要的非线性因素为静电场的自混合效应，而静电场与应变场的机电耦合则是影响二次谐波响应的次要因素。此外，横向模式会加剧非线性现象，通过适当调整IDT的倾斜角度可以改善这一情况：当IDT倾斜角度为16°时，二次和三次谐波信号的水平分别降低了10 dBm和15 dBm。进一步仿真表明，横向模式引起的应变场显著减弱，从而抑制了非线性谐波响应。本研究为复杂层状结构中表面声波谐振器产生谐波非线性信号提供了理论依据，这些发现对于设计高性能的POI-SAW器件及其非线性抑制具有重要意义。

引言

表面声波（SAW）和体声波（BAW）复用器及滤波器在智能手机的射频（RF）前端应用中十分广泛，因为它们具有小型化、高性能和低插入损耗等优点。随着移动通信技术的快速发展，射频前端的复杂性不断增加，同时对SAW/BAW器件的性能要求也不断提高，尤其是在功率耐受性和非线性方面。然而，在不降低其他性能参数和芯片尺寸的前提下满足这些要求极具挑战性[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。