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Nonlinearity can give rise to intermodulation distortions in surface acoustic wave (SAW) devices operating at high input power levels. To understand such undesired effects, a finite element method (FEM) simulation model in combination with a perturbation theory is applied to find out the role of different materials and higher order nonlinear tensor data for the nonlinearities in such acoustic devices. At high power, the SAW devices containing metal, piezoelectric substrate, and temperature compensating (TC) layers are subject to complicated geometrical, material, and other nonlinearities. In this paper, third-order nonlinearities in TC-SAW devices are investigated. The materials used are LiNbO 3 -rot128YX as the substrate and copper electrodes covered with a SiO 2 film as the TC layer. An effective nonlinearity constant for a given system is determined by comparison of nonlinear P-matrix simulations to third-order intermodulation measurements of test filters in a first step. By employing these constants from different systems, i.e., different metallization ratios, in nonlinear periodic P-matrix simulations, a direct comparison to nonlinear periodic FEM-simulations yields scaling factors for the materials used. Thus, the contribution of the different materials to the nonlinear behavior of TC-SAW devices is obtained and the role of metal electrodes, substrate, and TC film are discussed in detail.
In a recent paper it has been shown that the effective nonlinear constant which is used in a P-Matrix approach to describe third-order intermodulation (IMD3) in surface acoustic wave (SAW) devices can be obtained from finite element (FEM) calculations of a periodic cell using nonlinear tensor data [1]. In this paper we extend this FEM calculation and show that the IMD3 of an infinite periodic array of electrodes on a piezoelectric substrate can be directly simulated in the sagittal plane. This direct approach opens the way for a FEM based simulation of nonlinearities for finite and generalized structures avoiding the simplifications of phenomenological approaches.
In the present work, nonlinearities in temperature
compensating (TC) SAW devices are investigated. The materials
used are LiNbO3-rot128YX as the substrate and Copper electrodes covered with a SiO2-layer as the compensating layer.
In order to understand the role of these materials for the
nonlinearities in such acoustic devices, a FEM simulation model
in combination with a perturbation approach [1] is applied.
The nonlinear tensor data of the different materials involved
in TC-SAW devices have been taken from literature, but were
partially modified to fit experimental data by introducing scaling factors. An effective nonlinearity constant is determined
by comparison of nonlinear P-matrix simulations to IMD3
measurements of test filters. By employing these constants in
nonlinear periodic P-matrix simulations a direct comparison to
nonlinear periodic FEM-simulations yields the scaling factors for
the material used. Thus, the contribution of different materials
to the nonlinear behavior of TC-SAW devices is obtained and
the role of metal electrodes is discussed in detail
Die Veränderungen in der Energieversorgung führen zu einer neuen Systemarchitektur der Stromversorgung, die nur durch einen massiven Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) bewältigt werden kann und meist als „Smart Grid“ bezeichnet wird. Während es bereits umfangreiche Forschungsarbeiten und Demonstrationsprojekte zu einzelnen technologischen Komponenten gibt, existieren noch wenige Überlegungen, in welchen technologischen Schritten eine Migration hin zu Smart Grids durchgeführt werden sollte, die sowohl betriebstechnisch zukunftssicher ist, als auch marktgetriebene Innovationen begünstigt. Der Beitrag veranschaulicht die Herleitung solcher Migrationspfade im Rahmen eines schrittweisen Vorgehens. Zunächst werden Zukunftsszenarien für das Jahr 2030 konstruiert, um die maßgeblichen, oft auch nichttechnischen Einflussfaktoren auf das Smart Grid zu identifizieren. Darauf aufbauend werden die wesentlichen IKT-bezogenen Technologiefelder und ihre Zuordnung zu den Domänen der Energiewirtschaft beschrieben. Für jedes Technologiefeld werden die in den nächsten zwei Jahrzehnten denkbaren Entwicklungsstufen ermittelt und deren Abhängigkeit untereinander analysiert. Die gemeinsame Betrachtung von Szenarien, der Entwicklungsstufen der Technologiefelder und deren Interdependenzen führen schließlich zu einer Roadmap, welche die Migrationspfade in das Smart Grid beschreiben. Es lassen sich drei Entwicklungsphasen erkennen: Die Konzeptionsphase, die Integrationsphase und die Fusionsphase. Die präsentierten Ergebnisse entstammen dem Projekt „Future Energy Grid – Migrationspfade ins Internet“, welches vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie im Rahmen des E-Energy-Programms (Förderkennzeichen 01ME10012A und 01ME10013) gefördert wurde.
Among the various types of guided acoustic waves, acoustic wedge waves are non-diffractive and non-dispersive. Both properties make them susceptible to nonlinear effects. Investigations have recently been focused on effects of second-order nonlinearity in connection with anisotropy. The current status of these investigations is reviewed in the context of earlier work on nonlinear properties of two-dimensional guided acoustic waves, in particular surface waves. The role of weak dispersion, leading to solitary waves, is also discussed. For anti-symmetric flexural wedge waves propagating in isotropic media or in anisotropic media with reflection symmetry with respect to the wedge’s mid-plane, an evolution equation is derived that accounts for an effective third-order nonlinearity of acoustic wedge waves. For the kernel functions occurring in the nonlinear terms of this equation, expressions in terms of overlap integrals with Laguerre functions are provided, which allow for their quantitative numerical evaluation. First numerical results for the efficiency of third-harmonic generation of flexural wedge waves are presented.
Zerstörungsfreie Verfahren zur Messung von Eigenspannungen
erfordern, abhängig vom gewählten Verfahren, die Kenntnis gewisser
Kopplungskonstanten. Im Falle von Ultraschallmessverfahren sind das neben den
elastischen Konstanten zweiter Ordnung (SOEC) vor allem die Konstanten dritter
Ordnung (TOEC). Elastische Konstanten fester, metallischer Bauteile werden in der
Regel in Zugversuchen bestimmt. Zur Ermittlung der TOEC werden diese mit
Ultraschallmessmethoden kombiniert. Durch äußere Einflüsse, wie etwa mechanische
Nachbehandlungen der zu untersuchenden Bauteile können sich diese Konstanten
jedoch ändern und müssen folglich direkt am veränderten Material bestimmt werden.
Mithilfe von Simulationen wird die Ausbreitung der zweiten Harmonischen und
der nichtlinear erzeugten Oberflächenwellen in Wellenmischexperimenten analysiert
und der akustische Nichtlinearitätsparameter (ANP) bzw. der Kopplungsparameter
aus der Amplitudenentwicklung berechnet. Insbesondere wird untersucht, welchen
Einfluss ein gegebenes Tiefenprofil der TOEC auf den ANP hat (Vorwärtsproblem)
und inwiefern sich aus den Messungen des ANP auf ein vorliegendes Tiefenprofil der
TOEC schließen lässt (inverses Problem). Außerdem wird diskutiert, welchen
Einfluss lokale Änderungen der SOEC auf den ANP haben können und wie groß diese
Änderungen sein dürfen, um die TOEC dennoch bestimmen zu können. Die
Untersuchungen hierzu wurden auf der Basis eines 3D-FEM Modells mit zufällig
orientierten Mikrorissen durchgeführt. Die numerischen Rechnungen zeigen dabei
auch eine gute Übereinstimmung mit einem aus der Literatur bekannten und für dieses
Problem erweiterten, analytischen Modell. Neben der rissinduzierten Nichtlinearität
kann bei diesem auch die Gitternichtlinearität berücksichtigt werden.
A theoretical description is given for the propagation of surface acoustic wave pulses in anisotropic elastic media subject to the influence of nonlinearity. On the basis of nonlinear elasticity theory, an evolution equation is presented for the surface slope or the longitudinal surface velocity associated with an acoustic pulse. It contains a non-local nonlinearity, characterized by a kernel that strongly varies from one propagation geometry to another due to the anisotropy of the substrate. It governs pulse shape evolution in homogeneous halfspaces and the shapes of solitary surface pulses that exist in coated substrates. The theory describing nonlinear Rayleigh-type surface acoustic waves is extended in a straightforward way to surface waves that are localized at a one-dimensional acoustic waveguide like elastic wedges.