The high-Q STW resonators. Calculation methods and application in self-oscillators

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription or Fee Access

Abstract

The results of the development of highquality resonators based on STW (Surface Transverse Waves) are presented. It is shown that through the use of modern computing programs (COMSOL Multiphysics), as well the improvement and development of already known calculation methods (modified coupling of modes model), it is possible to efficiently and quickly calculate devices on surface acoustic waves. The results of comparing the theoretical and experimental responses of the transmission coefficient of a two-port STW resonator are presented. It is shown that highquality resonators at frequencies of 0.5...2.5 GHz can be manufactured on the basis of standard optical lithography. Typical values of the unloaded Q-factor of resonators at a frequency of 500 MHz are 27000...29000. The measurements of a two-port STW resonator made as part of a 500 MHz low-noise oscillator layout are presented, which demonstrate a phase noise level of −148.7 dBn/Hz at 1 kHz detuning and −183.5 dBn/Hz at 1 MHz detuning from the carrier frequency, a jitter 2.8 fs. Self-oscillators based on STW resonators with a low level of phase noise and a low jitter value can be in demand in areas where it is critically necessary to ensure the maximum dynamic range of digital signal processing paths.

Full Text

Restricted Access

About the authors

A. S. Koigerov

St. Petersburg State Electrotechnical University “LETI”

Author for correspondence.
Email: a.koigerov@gmail.com
Russian Federation, Professor Popov st. 5, St Petersburg, 197022

V. R. Reut

LLC “AEC Design”

Email: a.koigerov@gmail.com
Russian Federation, Leninskii pr. 140 B, St Petersburg, 198216

References

  1. Аристархов Г.М., Гуляев Ю.В., Дмитриев В.Ф. и др. Фильтрация и спектральный анализ радиосигналов. Алгоритмы. Структуры. Устройства. М.: Радиотехника, 2020. 504 С. https://doi.org/10.2174/97898151965041240101
  2. Бородина И.А., Зайцев Б.Д., Алсовэйди А.К.М., Караваева О.А., Гулий О.И. Биологический датчик на основе акустической щелевой моды с использованием микробных клеток для определения ампициллина // Акуст. журн. 2022. Т. 68. № 6. С. 583–588. https://doi.org/10.31857/S0320791922060028
  3. Крышталь Р.Г., Медведь А.В. Применение резонаторов на поверхностных акустических волнах для измерений сверхмалых изменений температуры // Известия РАН. Сер. физ. 2016. Т. 80. С. 1357–1362.
  4. Анисимкин В.И., Кузнецова И.Е. Селективное детектирование температуры микропроб жидкостей акустическими волнами поверхностного типа // Радиоэлектроника. 2019. Т. 64. № 8. С. 831–834. https://doi.org/10.1134/S0033849419080011
  5. Шамсутдинова Е.С., Анисимкин В.И., Фионов А.С., Смирнов А.В., Колесов В.В., Кузнецова И.Е. Совершенствование методов исследования электрофизических и вязкостных свойств жидкостей // Акуст. журн. 2023. Т. 69. № 1. С. 56–62. https://doi.org/10.31857/S0320791922600238
  6. Семёнов А.П., Зайцев Б.Д., Теплых А.А., Бородина И.А. Исследование акустических характеристик суспензий на основе глицерина и микрочастиц синтетического алмаза с помощью резонатора с продольным электрическим полем // Акуст. журн. 2023. Т. 69. № 6. С. 702–712. https://doi.org/10.31857/S0320791923600294
  7. Туральчук П.А., Вендик И.Б. Синтез полосовых фильтров на объемных акустических волнах с учетом материальных параметров многослойной структуры резонаторов // Акуст. журн. 2022. Т. 68. № 6. С. 611–617. https://doi.org/10.31857/S0320791922050124
  8. Поликарпова Н.В., Пожар В.Э. Исследование частотного диапазона работы пьезоэлектрического преобразователя акустооптического фильтра электрическим и оптическим методами // Акуст. журн. 2024. Т. 70. № 2. С. 186–192. https://doi.org/10.31857/S0320791924020061
  9. Naumenko N.F. Optimization of aperture in SAW and STW resonators on langasite // 2014 IEEE IUS. Chicago, IL, USA, 2014. P. 2059–2062. https://doi.org/10.1109/ULTSYM.2014.0513
  10. Wu Z. et al. Comparative Study of SH-Mode Surface Acoustic Wave Resonators on Lithium Tantalate with Silicon and Silicon Carbide Substrates // IEEE Trans. on Electron Devices. 2024. V. 71. № 11. P. 7022–2029. https://doi.org/10.1109/TED.2024.3467223
  11. Lee Z.-Q. at al. Spectrum-Clean Dispersion Engineered YX-LN/SiO2/Si Wideband SH-SAW Resonators with Crossed Interdigital Transducers // IEEE Trans. on Electron Devices. 2024. V. 71. № 6. P. 3880–3887. https://doi.org/10.1109/TED.2024.3392169
  12. Ченакин А. Фазовые шумы в СВЧ генераторах. Методы решения проблемы // Электроника: наука, технология, бизнес. 2011. № 4. C. 52–61.
  13. Бобкович П. Малошумящий источник опорной частоты 3.2 ГГц // СВЧ-электроника. 2021. № 3. С. 18–21.
  14. Лойко В.А., Добровольский А.А., Кочемасов В.Н., Сафин А.Р. Автогенераторы на поверхностных акустических волнах (обзор) // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2022. Т. 25. № 3. С. 6–21. https://doi.org/10.32603/1993-8985-2022-25-3-6-21
  15. Kosinski J.A., Pastore R., Avramov I.D. Theoretical and experimental evidence for superior intrinsic Q of STW devices on Rotated Y-cut Quartz // Proc. of the 1999 Joint Meeting of the European Frequancy and the IEEE Int. Frequency Control Symposium. Besancon, France. 1999. P. 867–870. https://doi.org/10.1109/FREQ.1999.841442
  16. Плесский В.П., Гуляев Ю.В. Высокодобротные резонаторы на сдвиговых поверхностных волнах // Радиотехника. 2015. № 8. С. 11–16.
  17. Дмитриев В.Ф., Носков А.Н. Теоретическое и экспериментальное исследование резонаторов на квази поверхностных акустических волнах // Акуст. журнал. 2010. Т. 56. № 4 С. 472–478.
  18. Доберштейн С.А., Веремеев И.В., Разгоняев В.К. Асинхронные резонаторы на STW с высокой добротностью и уменьшенными размерами // Радиотехника. 2023. Т. 87. № 7. С. 137–144. https://doi.org/10.18127/j00338486-202307-14
  19. Hay C.E., Harrell M.E., Kansy R.J. 2.4 and 2.5 GHz Miniature, Low-Noise Oscillators Using Surface Transverse Wave Resonators and a SiGe Sustaining Amplifier // 2004 IEEE Int. Frequency Control Symposium and Exposition. Montreal, Canada. 2004. P. 174–179. https://doi.org/10.1109/FREQ.2004.1418449
  20. Tatopoulos X. Compact ultra-low noise SAW oscillator with reduced g-sensitivity for radar applications // 2014 Int. Radar Conference. Lille, France. 2014. P. 1–3. https://doi.org/10.1109/RADAR.2014.7060383
  21. De Giovanni G., Chomiki M. New phase noise measurement techniques & Ultra-Low Noise SAW Oscillators // 2010 IEEE Int. Frequency Control Symposium. Newport Beach, CA, USA. 2010. P. 116–118. https://doi.org/10.1109/FREQ.2010.5556361
  22. Койгеров А.С. Применение метода конечных элементов для расчета параметров поверхностных акустических волн и устройств на их основе // Микроэлектроника. 2024. Т. 53. № 2. C. 142–155. https://doi.org/10.31857/S0544126924020036
  23. Квашнин Г.М., Сорокин Б.П., Бурков С.И. Анализ распространения СВЧ волн Лэмба в пьезоэлектрической слоистой структуре на основе алмаза // Акуст. журн. 2021. Т. 67. № 6. С. 595–602.
  24. Маринушкин П.С., Левицкий А.А., Фадеев В.О. Оценивание влияния параметров металлизации на рабочие характеристики компонентов на поверхностных акустических волнах // Журн. Сиб. федер. ун-та. Техника и технологии. 2024. Т. 17 № 1. С. 82–91.
  25. Койгеров А.С. Аналитический подход к расчету резонаторного комбинированного фильтра на поверхностных акустических волнах на основе модели связанных мод // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2022. Т. 25. № 2. С. 16–28. https://doi.org/10.32603/1993-8985-2022-25-2-16-28
  26. Дьелесан Э., Руайе Д. Упругие волны в твердых телах. Применение для обработки сигналов. Пер. с франц. Под ред. Леманова В.В. М.: Наука, 1982. 424 с.
  27. Shimizu Y., Yamamoto Y. SAW propagation characteristics of complete cut of quartz and new cuts with zero temperature coefficient of delay // Proc. 1980 IEEE Ultrasonics Symp. P. 420–423. https://doi.org/10.1109/ULTSYM.1980.197431
  28. Дмитриев В.Ф. Вывод модифицированных уравнений связанных поверхностных акустических волн // РЭ. 2009. Т. 54. № 9. C. 1134–1143.
  29. Malocha S., Abbott B.P., Naumenko N. Numerical Modeling of One-Port Resonators Based on Harmonic Admittance // IEEE Ultrasonics Symposium. Montreal, QC, Canada. 2004. V. 3. P. 2027–2030. https://doi.org/10.1109/ultsym.2004.1418233

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Popular approaches to calculating SAW devices.

Download (1MB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. The method of transition from the full topology to the simplified geometry of the device: 1 - a conventional representation of the topology with a real aperture and contact buses; 2 - a representation of the topology for COMSOL with a small aperture value.

Download (981KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Block diagram of the calculation algorithm using FEM in the COMSOL program.

Download (754KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Resonator geometry region: (a) — grid; (b) — displacement distribution (without SH-component normalization); (c) — displacement distribution (with SH-component normalization).

Download (2MB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Equivalent representation of the resonator: (a) — in the form of a four-terminal network; (b) — in the form of a topological circuit; (c) — in the form of an acoustoelectric circuit for the MSM.

Download (896KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. A set of MPPs for analyzing the propagation and calculating the parameters of acoustic waves: (a) on a free surface, (b) under a metallized surface, (c) under metal electrodes; (d) an example of a grid; (d) the result of numerical analysis of the 1st natural frequency; (e) the result of numerical analysis of the 2nd natural frequency. Features of the MPP: 1 - air layer, 2 - piezoelectric substrate, 3 - perfectly matched layer (PML), 4 - metallization layer.

Download (2MB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Conductivity (or “Harmonic admittance”) calculated at a metallization coefficient of 0.5 and a relative metal thickness h/λ = 1.8%.

Download (609KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Comparison of the results of frequency response calculations using MSM (1) and FEM (2).

Download (490KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. Comparison of the results of the MSM calculation (1) and the experiment (2).

Download (778KB)
Indexing metadata
11. Fig. 10. Phase noise of the test auto-oscillator with a 500 MHz resonator.

Download (2MB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 The Russian Academy of Sciences