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声表面波器件是现代通信和国防武器装备中的重要基础器件。声表面波器件中的重要结构是有限长度的叉指换能器(IDT),其在工作时不但会激发表面波(SAW),同时伴随激发强度随传播方向(倾斜向介质体内)有一定角度分布的体波(BAW)。这些具有不同指向角度的体波在晶体表面上具有不同的分量成分,使得表面声场中除了表面波外还包含体波模式。一般说来,体波成分的存在不同程度上恶化了表面波器件的性能,但也有其有利方面,在某些声表面波器件中就是利用了诸如表面掠面体波等体波模式实现器件的一定功能。
目前在器件设计上已有一些方法来抑制体波的不利影响,但关于体波在器件表面上的传播理论和现象解释还不多。由于体波对表面波器件设计和应用有重要影响,了解和掌握体波在表面上的传播和衰减规律,对设计高性能表面波器件具有十分重要的意义。
本文首先对半无限空间中压电晶体表面声波方程进行了研究,介绍广义格林函数基础理论,并介绍了表面有效介电常数概念以及几种常用基底材料的声学特征参数。在前人的工作基础上,本文应用有限长声表面波器件的精确理论模型,以有限元/边界元法为工具,对三种常用的压电晶体材料128°YX-LiNbO3、YZ-LiNbO3以及X-112°3(LiTaO3表面上的声场分布进行了数值模拟。通过对表面上场分量的表面波扣除,得到了频率域内体波场振幅在各场分量中随频率的分布曲线。将各场分量中的体波模式由频率域变换到时间域,由于不同体波模式传播速度的不同而使之互相分离。对各场分量中占主要成分的体波模式脉冲传播规律进行分析和归纳,得到了各主要体波模式在指条数较少情况下的脉冲直接提取拟合结果,以及在指条数较多情况下的自相关峰值拟合结果。
分析表明,在三种压电晶体材料的表面上,各场分量中的体波成分所占比例各不相同,作为主要成分的体波模式振幅传播按照形如f(x)=α·eb·x+c·ed·x的指数方式进行。根据分析得到的结果,可以在器件设计中找到传播路径上场点到IDT中心的合理距离使得器件中体波模式的影响尽可能减小,从而减小体波模式对声表面波器件性能的不利影响。数值模拟和数据分析方法对高性能声表面波器件的设计和优化具有指导作用。