Finite Elemente Simulation von Oberflächenwellen-(OFW-) Strukturen

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OFW-Bauteile werden in den verschiedensten technischen Bereichen, von der Übertragungstechnik über die Unterhaltungselektronik bis hin zur Messtechnik, eingesetzt. In jedem modernen Mobiltelefon sind einige OFW-Filter enthalten, da klassische LC-Filter im Hinblick auf Größe, Kosten und Eigenschaften mit den OFW-Filtern nicht konkurrieren können.
Der verstärkte Einsatz von OFW-Bauteilen in den letzten Jahrzehnten ist auf folgende Punkte zurückzuführen:

  • Die aus der Halbleitertechnik bekannten Fertigungsschritte ermöglichen eine preiswerte und hochpräzise Herstellung der OFW-Bauteile
  • Die Oberflächenwellengeschwindigkeit liegt um den Faktor 10e5 unterhalb jener von elektromagnetischen Wellen, was große Verzögerungszeiten bei kleinen Abmessungen bedeutet (wichtig für Delay-Lines z.B. in TV Geräten)
  • Der Ausbreitungspfad der Oberflächenwelle ist direkt zugänglich. Dadurch können verschiedenste Effekte relativ einfach durch Manipulation der Oberfläche (zusätzliche Schichten, Reflektorstrukturen, …) erzielt werden.
Abb.1: Typischer SAW Filter Abb.2: OFW Eintor-Resonator

OFW-Bauteile werden mit effizienten Methoden, z.B. mithilfe des

  • Delta-Funktions- oder Impulsmodells,
  • über Streu- oder P-Matrizen,
  • mithilfe des COM Modells oder über
  • äquivalente Schaltkreise

beschrieben. Zur Ermittlung der Daten für diese Modelle sind entweder Messungen oder hochpräzise Simulationen (wie z.B. die Finite Elemente Methode (FEM)) nötig. Ziel dieses Projektes ist es, ein FE-Programmpaket zur Berechnung von OFW-Strukturen zur Verfügung zu stellen, das es erlaubt, Parameter für einfache, schnellere Modelle, wie z.B. die oben genannten, zu extrahieren. Eine Möglichkeit, diese Daten zu erlangen, führt über die Dispersionsbeziehung, d.h. den Zusammenhang zwischen Anregungsfrequenz und Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle. Aus dieser Beziehung können z.B.

  • Phasen- und Gruppengeschwindigkeiten,
  • Reflektionsfaktoren,
  • Kopplung verschiedener Wellenmoden,
  • Dämpfungskoeffizienten,
  • Volumswellenabstrahlung, usw.

ermittelt werden. Mithilfe neu entwickelter Randbedingungen in unserem FE-Code ist die Berechnung dieser Dispersionsbeziehungen möglich.

Schlagworte:

Finite-Elemente-Simulation; Oberflächenwellen; Periodische Strukturen; Dispersion; Piezoelektrik