这是一篇关于声表面波滤波器高效仿真设计方法的原创研究论文，以下是对该研究的详细学术报告。
论文《利用商用软件中用户自定义组件的高效声表面波滤波器设计技术》（Efficient Design Technique of Surface Acoustic Wave (SAW) Filters Utilizing User-Defined Components with Commercial Software）由Jiwon Kim、Youna Jang和Dal Ahn三位学者共同完成。其中，Jiwon Kim和Youna Jang来自韩国顺天乡大学（Soonchunhyang University）信息与通信技术系，Dal Ahn来自该校电子工程系。该研究于2024年11月19日投稿，经修订后于2025年4月22日被接收，并于2025年5月16日在《韩国电气工程与技术杂志》（Journal of Electrical Engineering & Technology）第20卷上在线发表，页码为3517至3524。
本研究的学术背景根植于移动通信技术飞速发展的时代需求。随着射频前端使用的频段数量激增至30个以上，单部移动设备中集成的滤波器数量已超过60个，这对滤波器的性能和设计效率提出了极高要求。在主流技术中，声表面波（Surface Acoustic Wave, SAW）滤波器因其能够小型化至同频率电磁波波长的五分之一、具备低插入损耗和优异的带外抑制特性，且比体声波（Bulk Acoustic Wave, BAW）滤波器更易于制造而成为移动设备的优选方案。然而，SAW滤波器存在功率处理能力、频率温度系数（Temperature Coefficient of Frequency, TCF）和较低品质因数（Q值）等固有局限。为了克服这些局限，业界催生了温度补偿SAW（TC-SAW）和超高性能SAW（IHP-SAW）等技术。高性能SAW器件的设计依赖于精确高效的仿真工具，现有技术可分为唯象方法和数学方法两大类。唯象方法中的耦合模（Coupling-of-Modes, COM）理论因其速度快、结构简单且易于直接应用优化算法而成为设计任务中广泛使用的技术。其最大的痛点在于，COM仿真通常基于Fortran等小众语言实现，代码难以被多数工程师理解和修改，且缺乏能够灵活适应不同结构并集成优化算法的仿真工具。本研究正是为了填补这一空白，旨在提出一种更为直观、灵活且高效的SAW滤波器仿真方法。
研究工作的详细流程围绕COM理论展开，并从理论建模、参数提取和用户自定义组件开发三个层面逐步推进。首先，研究确立了COM理论作为核心仿真框架。COM方程描述了在换能器上施加电压时，双向传播的波之间的主谐波耦合关系。该方程体系涉及几个关键的COM参数：声表面波速度（v）、衰减参数（γ）、反射率参数（κ）和换能参数（α）。为便于电路仿真，研究并未直接使用描述波与电压电流关系的P矩阵（P-matrix），而是将其转化为适用于电路仿真的Y矩阵（Y-matrix）。原始的Y矩阵为一个描述声学端口和电学端口特性的3端口组件。为了更有效地模拟SAW滤波器，研究团队进一步将其扩展为一个4×4的4端口Y矩阵，其中两个端口用作声学端口，另外两个用作电学端口，这是构成完整滤波器仿真组件的理论基石。
其次，COM参数的精确提取是确保仿真精度的决定性步骤。研究团队采用了一种基于实测数据拟合的方法。他们制造了一系列具有不同物理参数的谐振器，具体参数组合如表1所示，基板为42LT（一种钽酸锂材料），金属层为钛/铝（Ti/Al），厚度包括400/700 Å、400/800 Å和400/900 Å等多种规格，叉指换能器（Interdigital Transducer, IDT）的对数、金属化比率和电极周期（Pitch）也各有不同。利用这些谐振器的实测S参数（散射参数）作为目标，将COM参数（δ, v, γ, κ, α）作为优化变量，通过优化算法不断调整计算出的S参数，直至其与实测S矩阵高度吻合，从而反向提取出精确的COM参数。研究特别强调，此方法得到的COM参数以文本文件格式存储，具备高度兼容性，无论通过本研究的实测拟合法还是其他方法（如有限元法）提取的参数，均可无缝导入使用，这极大增强了所提方法的普适性。
在理论模型和参数准备就绪后，研究的核心创新点在于利用Keysight公司的商用电路仿真软件ADS（Advanced Design System）创建了八个用户自定义组件（User-Defined Components），以构建一个SAW仿真组件库（SAW Palette）。这些组件被设计成类似于电路设计中的标准元件，直接拖放即可使用。组件分为几大类：反射器部分包含单元反射器（URFL）和长反射器（LRFL）两种形式，前者代表一组半指条，后者则将多个反射器指条聚合为一个参数化的整体，以便模拟不同指条数对性能的影响。IDT部分则包括三种类型：两种单元IDT（UIDT），它们之间存在相位差异，分别描述不同配置的半指条组；以及一种可以指定指条数目的长IDT（LIDT）。此外，还有用于模拟反射器和IDT之间间隙的LIMP组件、50欧姆终端负载（Term），以及负责从外部加载组件定义文件以确保用户自定义组件正常运行的技术组件（Tech）。这些组件均内置了前文推导的COM方程（式1至式5）。仿真时，电路设计者设定组件参数（如IDT对数nt、反射器对数nr、周期p、金属化比率m、孔径aa等），组件库则自动调用预存的COM参数值并完成计算。
在成果验证阶段，研究对一个用于2.4 GHz Wi-Fi频段的梯形（Ladder-type）SAW滤波器进行了仿真与实物制造的对比。仿真流程极为严谨：首先，使用一个或多个上述自定义组件构建单端口SAW谐振器。其中，串联谐振器可通过改变端口连接方式实现，而并联谐振器则主要采用图6所示结构直接接地。这种搭建子电路的方法与传统电路仿真完全一致，极为直观。其次，为获取高保真的仿真结果，必须考虑印刷电路板（PCB）、封装体和芯片本身的电磁寄生效应。为此，研究团队利用Ansys公司的HFSS工具对整体结构（如图7所示）进行电磁（Electromagnetic, EM）仿真，提取出相应的S参数。最后，在ADS中将这些来自EM仿真的S参数与用户自定义谐振器子电路组合起来，构成如图8所示的完整滤波器联合仿真原理图。图8清晰地展示了梯形滤波器的电路拓扑，即串联和并联谐振器交替相接的梯状结构。
最终的仿真与实测结果对比图（图9）显示，二者表现出极高的一致性。滤波器的整体极点位置、带宽、插入损耗（Insertion Loss, IL）以及带外衰减特性均得到精确复现。论文明确指出，仿真与实测的插入损耗差值仅为±0.2 dB，这一量化的吻合度指标有力地证明了所提方法的准确性和可靠性。
本研究的结论是，通过所提出的基于ADS软件的用户自定义组件仿真方法，无需单独的优化算法即可实现对SAW滤波器灵活且高效的仿真设计，且结果准确性得到了实物验证。其科学价值在于，它将COM这一高效但长期受限于非主流编程语言的精确理论，转化为一种图形化、模块化、高度直观的现代电路设计工具，打破了技术壁垒，使得经验有限的工程师也能相对轻松地开展SAW滤波器设计工作。在应用价值方面，该方法天然地集成了ADS软件内置的强大优化算法和丰富的标准组件库，这极大地便利了工程师进行各类复杂结构滤波器（如DMS结构及其电极周期调制）的开发与优化，显著缩短了设计周期，具有明确的产业化应用前景。
该研究的亮点主要体现在方法论创新和工程实用性。其最大的新颖性在于，它不是提出一个新的物理模型或仿真算法，而是通过“用户自定义组件”这一巧妙的方式，将成熟的COM理论封装在主流商用软件平台内，解决了理论与工程应用脱节的“最后一公里”问题。所构建的八个组件构成了一套功能完整、使用直观的SAW仿真工具包。其方法的精髓在于提出了一个开放的文本格式参数接口，实现了COM参数提取方法与仿真工具的解耦，无论工程师采用何种先进技术（如FEM）获取参数，都能无缝集成到本设计流程中。此外，该研究将声学仿真与电磁仿真在同一个设计环境中协同起来，这一体化的协同仿真流程是确保最终结果高精度的关键，体现了其在工程实践中的深思熟虑。