Verfügbarkeit: Surface acoustic wave devices in telecommunications

Surface acoustic wave devices in telecommunications: modelling and simulation

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Bibliographische Detailangaben
1. Verfasser:	Hashimoto, Ken-ya 1956- (VerfasserIn)
Format:	Buch
Sprache:	English
Veröffentlicht:	Berlin [u.a.] Springer 2000
Schriftenreihe:	Engineering online library
Schlagworte:	Acoustic surface wave devices Telecommunication > Equipment and supplies Resonator Oberflächenwellenelement Interdigitalwandler Digitale Signalverarbeitung Transversalfilter Aufsatzsammlung
Online-Zugang:	Inhaltsverzeichnis
Beschreibung:	Hier auch später erschienene, unveränderte Nachdrucke
Beschreibung:	XIII, 330 Seiten Illustrationen, Diagramme
ISBN:	354067232X 9783642086595

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adam_text	CONTENTS 1. BULK ACOUSTIC AND SURFACE ACOUSTIC WAVES ::::::::::::::: 1 1.1 BULK ACOUSTIC WAVES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1.1 ELASTIC WAVES IN SOLIDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1.2 WAVEVECTOR AND GROUP VELOCITY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.1.3 BEHAVIOR OF BAWS AT A BOUNDARY . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.1.4 DIRACTION. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.1.5 PIEZOELECTRICITY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.1.6 EVANESCENT FIELDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.1.7 WAVEGUIDES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.1.8 BEHAVIOR AT THE BOUNDARY BETWEEN WAVEGUIDES . . . . . . 13 1.1.9 OPEN WAVEGUIDES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.2 WAVES IN A SEMI-INNITE SUBSTRATE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.2.1 EXCITATION OF L- AND SV-TYPE WAVES . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.2.2 EXCITATION OF SH-TYPE WAVES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.2.3 LEAKY SAWS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.2.4 LEAKY AND NONLEAKY SAWS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.2.5 SSBW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 REFERENCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2. GRATING ::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::: 25 2.1 BASIC STRUCTURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.1.1 FUNDAMENTALS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.1.2 REFLECTION CENTER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.2 BEHAVIOR IN PERIODIC STRUCTURES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.2.1 BRAGG REFLECTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.2.2 ENERGY STORING EECT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.2.3 FABRY{PEROT RESONATOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.3 EQUIVALENT CIRCUIT ANALYSIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.3.1 ANALYSIS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.3.2 DEPENDENCE OF REFLECTION CHARACTERISTICS ON PARAMETERS 35 2.4 METALLIC GRATING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.4.1 FUNDAMENTAL CHARACTERISTICS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.4.2 SAW DISPERSION CHARACTERISTICS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.4.3 APPROXIMATED DISPERSION CHARACTERISTICS . . . . . . . . . . . . 42 REFERENCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 X CONTENTS 3. INTERDIGITAL TRANSDUCERS :::::::::::::::::::::::::::::::::: 47 3.1 FUNDAMENTALS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.1.1 BIDIRECTIONAL IDTS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.1.2 UNIDIRECTIONAL IDTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.2 STATIC CHARACTERISTICS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.2.1 CHARGE DISTRIBUTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.2.2 ELECTROMECHANICAL COUPLING FACTOR . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.2.3 ELEMENT FACTOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.2.4 COMPLEX ELECTRODE GEOMETRIES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.2.5 EECT OF IDT ENDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 3.3 IDT MODELING. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 3.3.1 DELTA-FUNCTION MODEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 3.3.2 EQUIVALENT CIRCUIT MODEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.3.3 OTHER MODELS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.4 INFLUENCE OF PERIPHERAL CIRCUIT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.4.1 SUMMARY. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.4.2 SMITH CHART AND IMPEDANCE MATCHING . . . . . . . . . . . . . . 70 3.4.3 ACHIEVABLE BANDWIDTH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.5 P MATRIX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 3.5.1 SUMMARY. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 3.5.2 IDT CHARACTERIZATION BY USING P MATRIX . . . . . . . . . . . . 76 3.5.3 DISCUSSION ON UNIDIRECTIONAL IDTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.6 BAW RADIATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 3.6.1 PHASE MATCHING CONDITION. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 3.6.2 RADIATION CHARACTERISTICS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 REFERENCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4. TRANSVERSAL FILTERS :::::::::::::::::::::::::::::::::::::::: 87 4.1 BASICS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 4.1.1 WEIGHTING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 4.1.2 BASIC PROPERTIES OF WEIGHTED IDTS . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 4.1.3 EECTS OF PERIPHERAL CIRCUITS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.2 DESIGN OF TRANSVERSAL FILTERS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 4.2.1 FOURIER TRANSFORMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 4.2.2 REMEZ EXCHANGE METHOD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 4.2.3 LINEAR PROGRAMMING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4.3 SPURIOUS RESPONSES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 4.3.1 DIRACTION. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 4.3.2 BULK WAVES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 4.3.3 OTHER PARASITIC EECTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 4.4 LOW-LOSS TRANSVERSAL FILTERS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 4.4.1 MULTI-IDT STRUCTURES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 4.4.2 TRANSVERSAL FILTERS EMPLOYING SPUDTS . . . . . . . . . . . . . 114 4.4.3 COMBINATION OF SPUDTS AND REFLECTORS . . . . . . . . . . . . . 117 REFERENCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 CONTENTS XI 5. RESONATORS ::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::: 123 5.1 ONE-PORT SAW RESONATORS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 5.1.1 INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 5.1.2 FABRY{PEROT MODEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 5.2 SPURIOUS RESPONSES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 5.2.1 BEAM DIRACTION AND TRANSVERSE MODES . . . . . . . . . . . . . 130 5.2.2 TRANSVERSE-MODE ANALYSIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 5.2.3 EECT OF BAW RADIATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 5.3 TWO-PORT SAW RESONATORS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 5.3.1 SUMMARY. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 5.3.2 FABRY{PEROT MODEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 5.3.3 MULTI-MODE RESONATOR FILTER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 5.3.4 CASCADE CONNECTION OF RESONATORS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 5.4 IMPEDANCE ELEMENT FILTERS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 5.4.1 -TYPE FILTERS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 5.4.2 LATTICE-TYPE FILTERS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 5.4.3 LADDER-TYPE FILTERS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 REFERENCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 6. SELECTION OF SUBSTRATE MATERIAL ::::::::::::::::::::::::::: 163 6.1 SUBSTRATE MATERIAL AND DEVICE CHARACTERISTICS. . . . . . . . . . . . . . 163 6.1.1 ORIENTATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 6.1.2 INFLUENCE OF SUBSTRATE AND ELECTRODE MATERIALS . . . . . . . 164 6.2 EVALUATION OF ACOUSTIC PROPERTIES BY EECTIVE PERMITTIVITY . . 167 6.2.1 EECTIVE PERMITTIVITY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 6.2.2 APPROXIMATE EXPRESSIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 6.3 SINGLE CRYSTALS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 6.3.1 QUARTZ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 6.3.2 LINBO 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 6.3.3 LITAO 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 6.3.4 LI 2 B 4 O 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 6.3.5 LANGASITE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 6.4 THIN FILMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 REFERENCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 7. COUPLING-OF-MODES THEORY ::::::::::::::::::::::::::::::: 191 7.1 FUNDAMENTALS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 7.1.1 COLLINEAR COUPLING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 7.1.2 PERIODIC STRUCTURES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 7.1.3 EXCITATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 7.2 COM THEORY FOR SAW DEVICES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 7.2.1 DERIVATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 7.2.2 COM EQUATIONS IN OTHER FORMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 7.2.3 INCLUSION OF ELECTRODE RESISTIVITY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 7.2.4 EXAMPLES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 XII CONTENTS 7.3 DETERMINATION OF COM PARAMETERS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 7.3.1 PERTURBATION THEORY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 7.3.2 WAVE THEORY BASED ANALYSIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 7.3.3 ANALYSIS FOR MULTI-ELECTRODE IDTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 7.4 COM-BASED SIMULATORS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 7.4.1 SAW DEVICE SIMULATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 7.4.2 INCLUSION OF PERIPHERAL CIRCUIT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 7.4.3 RESULTS OF SIMULATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 REFERENCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 8. SIMULATION OF SH-TYPE SAW DEVICES :::::::::::::::::::::: 237 8.1 PHYSICS OF SH-TYPE SAWS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 8.1.1 SUMMARY. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 8.1.2 PROPAGATION AND EXCITATION ON A UNIFORM SURFACE . . . . 237 8.1.3 BEHAVIOR ON A GRATING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 8.1.4 ELECTRICAL CHARACTERISTICS OF IDTS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 8.1.5 EECTS OF BACK-SCATTERED BAWS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 8.1.6 INFLUENCE OF GRATING EDGE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 8.2 COM THEORY FOR SH-TYPE SAWS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 8.2.1 COM PARAMETER DERIVATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 8.2.2 SIMULATION. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 8.2.3 COM PARAMETERS FOR RAYLEIGH-TYPE SAWS . . . . . . . . . . 263 8.3 DERIVATION OF APPROXIMATE DISPERSION RELATIONS . . . . . . . . . . . . 266 8.3.1 DERIVATION OF PLESSKYS DISPERSION RELATION . . . . . . . . . . 266 8.3.2 DERIVATION OF ABBOTTS DISPERSION RELATION . . . . . . . . . . 267 REFERENCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 A. PHYSICS OF ACOUSTIC WAVES :::::::::::::::::::::::::::::::: 271 A.1 ELASTICITY OF SOLIDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 A.2 PIEZOELECTRICITY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 A.3 SURFACE ACOUSTIC WAVES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 A.4 EECTIVE ACOUSTIC ADMITTANCE MATRIX AND PERMITTIVITY . . . . . 282 A.5 ACOUSTIC WAVE PROPERTIES IN 6MM MATERIALS . . . . . . . . . . . . . . . 284 A.5.1 RAYLEIGH-TYPE SAWS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 A.5.2 EECTIVE PERMITTIVITY FOR BGS WAVES . . . . . . . . . . . . . . . 285 A.5.3 EECTIVE ACOUSTIC ADMITTANCE MATRIX . . . . . . . . . . . . . . . 287 A.6 WAVE EXCITATION. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 A.6.1 INTEGRATION PATH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 A.6.2 ELECTROSTATIC COUPLING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288 A.6.3 BGS WAVE EXCITATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 A.6.4 SSBW EXCITATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 REFERENCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 CONTENTS XIII B. ANALYSIS OF WAVE PROPAGATION ON GRATING STRUCTURES ::::: 293 B.1 SUMMARY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 B.2 METALLIC GRATINGS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 B.2.1 BL * TEKJRS THEORY FOR SINGLE-ELECTRODE GRATINGS . . . . . 294 B.2.2 WAGNERS THEORY FOR OBLIQUE PROPAGATION . . . . . . . . . . . 296 B.2.3 AOKIS THEORY FOR DOUBLE-ELECTRODE GRATINGS . . . . . . . . 297 B.2.4 EXTENSION TO TRIPLE-ELECTRODE GRATINGS . . . . . . . . . . . . . . 301 B.3 ANALYSIS OF METALLIC GRATINGS WITH FINITE THICKNESS . . . . . . . . . 304 B.3.1 COMBINATION WITH FINITE ELEMENT METHOD . . . . . . . . . . . 304 B.3.2 APPLICATION TO EXTENDED BL * TEKJR THEORIES . . . . . . . . . 306 B.4 WAVE EXCITATION AND PROPAGATION IN GRATING STRUCTURES . . . . . 310 B.4.1 EECTIVE PERMITTIVITY FOR GRATING STRUCTURES . . . . . . . . . 310 B.4.2 EVALUATION OF DISCRETE GREEN FUNCTION . . . . . . . . . . . . . . 312 B.4.3 DELTA-FUNCTION MODEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 B.4.4 IN*NITE IDTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316 REFERENCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318 INDEX ::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::: 321
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