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The growing complexity in RF front-ends, which support carrier aggregation and a growing number of frequency bands, leads to tightened nonlinearity requirements in all sub-components. The generation of third order intermodulation products (IMD3) are typical problems caused by the non-linearity of SAW devices. In the present work, we investigate temperature compensating (TC) SAW devices on Lithium Niobate-rot128YX. An accurate FEM simulation model [1] is employed, which allows to better understand the origin of nonlinearities in such acoustic devices.
Increasing power density causes increased self-generation of harmonics and intermodulation. As this leads to violations of the strict linearity requirements, especially for carrier aggregation (CA), the nonlinearity must be considered in the design process of RF devices. This raises the demand of accurate simulation models. Linear and nonlinear P-Matrix/COM models are used during the design due to their fast simulation times and accurate results. However, the finite element method (FEM) is useful to get a deeper insight in the device's nonlinearities, as the total field distributions can be visualized. The FE method requires complete sets of material tensors, which are unknown for most relevant materials in nonlinear micro-acoustics. In this work, we perform nonlinear FEM simulations, which allow the calculation of nonlinear field distributions of a lithium tantalate based layered SAW system up to third order. We aim at achieving good correspondence to measured data and determine the contributions of each material layer to the nonlinear signals. Therefore, we use approximations circumventing the issue of limited higher order tensor data. Experimental data for the third order nonlinearity is shown to validate the presented approach.
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.
Surface and interface acoustic waves are two-dimensionally guided waves, as their displacement field is plane-wave like regarding its dependence on the spatial coordinates parallel to the guiding plane, while it decays exponentially along the axis normal to that plane. When propagating at the planar surface or interface of homogeneous media, they are non-dispersive. Another type of non-dispersive acoustic waves which is, however, one-dimensionally guided, has displacement fields localized near the apex of a wedge made of an elastic material. In this short review, their propagation properties are described as well as theoretical and experimental methods which have been used for their analysis. Experimental findings are discussed in comparison with corresponding theoretical work and potential applications of this fascinating type of acoustic waves are presented.
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.
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.
Recently a P-matrix and COM formalism was presented, which predicts third order intermodulation (IMD3) and triple beat with good accuracy and needs only a single nonlinearity constant. This formalism describes frequency dependence correctly. In this work the dependence of this nonlinearity constant on metalization ratio is investigated for aluminum metalization on LiTaO 3 (YXl)/42°. By comparison to test devices the nonlinearity constant is shown to be largely independent of metalization ratio. The nonlinear effect, however, strongly depends on metalization ratio, which is well described by the model. The linearity of a duplexer is optimized by reduction of metalization ratio and redesign of Tx branch topology.
Elastic constants of components are usually determined by tensile tests in combination with ultrasonic experiments. However, these properties may change due to e.g. mechanical treatments or service conditions during their lifetime. Knowledge of the actual material parameters is key to the determination of quantities like residual stresses present in the medium. In this work the acoustic nonlinearity parameter (ANP) for surface acoustic waves is examined through the derivation of an evolution equation for the amplitude of the second harmonic. Given a certain depth profile of the third-order elastic constants, the dependence of the ANP with respect to the input frequency is determined and on the basis of these results, an appropriate inversion method is developed. This method is intended for the extraction of the depth dependence of the third-order elastic constants of the material from second-harmonic generation and guided wave mixing experiments, assuming that the change in the linear Rayleigh wave velocity is small. The latter assumption is supported by a 3D-FEM model study of a medium with randomly distributed microcracks as well as theoretical works on this topic in the literature.
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.
Laser ultrasound was used to determine dispersion curves of surface acoustic waves on a Si (001) surface covered by AlScN films with a scandium content between 0 and 41%. By including off-symmetry directions for wavevectors, all five independent elastic constants of the film were extracted from the measurements. Results for their dependence on the Sc content are presented and compared to corresponding data in the literature, obtained by alternative experimental methods or by ab-initio calculations.