兰姆波谐振器：下一代高频滤波神器？

兰姆波谐振器：下一代高频滤波神器？

在现代通信技术快速发展的今天，射频滤波器作为无线通信系统中的关键组件，其性能直接影响着通信质量。而兰姆波谐振器，作为一种新型的高频滤波器件，正以其独特的优势在5G/6G通信领域崭露头角。

兰姆波谐振器是基于兰姆波（Lamb wave）设计的一种谐振器。兰姆波是一种在薄板中传播的弹性波，由英国物理学家霍勒斯·兰姆（Horace Lamb）首次提出。这种波具有独特的传播特性，能够在特定条件下实现能量的高效传输和转换。

兰姆波谐振器通常由叉指电极（Interdigital Transducer，IDT）激发。叉指电极通过施加电信号，在压电材料表面产生声波，进而形成谐振效应。这种结构简单但高效的激发方式，使得兰姆波谐振器在高频窄带应用中具有显著优势。

近年来，研究人员在兰姆波谐振器的性能优化方面取得了重要突破。通过优化支撑锚结构和压电材料，可以显著提升器件的品质因数（Q值）。品质因数是衡量谐振器性能的重要指标，它反映了谐振器的能量损耗情况。品质因数越高，意味着谐振器的能量损耗越小，性能越好。

例如，有研究团队通过仿真分析，设计出适用于高频窄带应用的兰姆波滤波器。该滤波器工作在70.36~71.45 MHz频段，插入损耗优于-1 dB，展现出优异的性能表现。

随着5G和6G通信技术的发展，射频滤波器面临着更高的工作频率和更大的带宽需求。传统的声表面波（SAW）技术由于光刻精度或材料压电系数的限制，难以同时满足这些要求。而兰姆波谐振器凭借其独特的性能优势，为解决这一难题提供了新的思路。

上海微系统所欧欣研究团队在第70届国际电子器件大会（IEDM 2024）上发表的最新研究成果显示，基于预定义压电异质衬底（PN-POI）的兰姆波谐振器，能够同时实现高频率和大带宽。这种新型衬底通过预设的底部电极，可以选择性地利用水平电场或纵向电场激励声波模式，极大地扩展了可用的声学模式和功能。

研究团队通过“离子刀”异质集成技术，制备了高质量的6英寸预定义碳化硅基铌酸锂异质衬底。基于这种衬底，不仅实现了横向电场激发的零阶水平剪切（SH0）模式和纵向泄漏表面声波（LL-SAW）谐振器，还实现了垂直电场激发的一阶水平剪切（SH1）模式、一阶反对称（A1）兰姆模式谐振器以及高次谐波体声波谐振器（HBAR）。

在兰姆波谐振器的研究中，非极性氮化铝（AlN）单晶薄膜的出现为器件性能带来了革命性的提升。传统c面氮化铝薄膜的压电轴与薄膜法线方向平行，需要复杂的三明治结构才能激发体声波。而a面氮化铝单晶薄膜的压电轴位于薄膜面内，仅需平面指叉电极即可激发体声波，大大简化了器件结构。

研究团队通过物理气相沉积（PVD）结合高温退火技术，在r面蓝宝石衬底上成功制备了高质量的a面氮化铝单晶薄膜。基于这种薄膜的声学谐振器在2.38 GHz频段实现了品质因子高达2458的瑞利波，在4.00 GHz频段首次实现了仅通过平面指叉电极激发的横向体声波（LBAW）。

兰姆波谐振器不仅在射频滤波器领域展现出巨大潜力，其高性能、小尺寸和低功耗的特点，还使其在振荡器和传感器等领域具有广泛的应用前景。随着5G/6G通信技术的不断推进，兰姆波谐振器有望成为下一代高频滤波器的核心器件，为信息技术的发展注入新的动力。

从基础研究到产业化应用，兰姆波谐振器的发展之路充满了挑战与机遇。随着技术的不断进步，我们有理由相信，这种新型谐振器将在未来的通信系统中扮演越来越重要的角色，为人们的生活带来更多的便利与惊喜。