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本刊推荐一项针对高频集成系统相位调控难题的创新研究。为解决传统电磁相位调制器在超高频段尺寸过大、电压过高的问题，上海科技大学团队开发了一种基于悬浮Z切铌酸锂(LiNbO3)薄膜的热声(TA)相位调制器。该器件通过微加热器局部温控改变声波传播速度，在0.5-3.5 GHz六个频带实现最高-118.4°/mW的相位响应，调制带宽达2.83 kHz，核心面积仅0.104 mm2。这项研究为5G/6G射频前端、可重构声学处理器提供了芯片级解决方案。
在当今无线通信和雷达系统中，相位调制器如同精准的"交通指挥员"，能动态控制信号传播方向，是实现波束成形(Beamforming)、自适应调制等关键技术的基础元件。然而，传统基于电磁波(EM)的相位调制器面临根本性物理限制：其尺寸必须与电磁波长成正比，在超高频段(UHF, 0.3-3 GHz)波长可达数厘米，导致器件难以实现芯片级集成。更棘手的是，现有声电(EA)相位调制器虽能利用声波波长较短的优势，但往往需要60V以上高压驱动，与低功耗CMOS系统兼容性差；而热声(TA)调制器又因基底热耗散严重，存在响应速度慢、功耗高等瓶颈。这些限制严重制约了下一代便携式设备和集成射频前端的发展。
为解决这一难题，上海科技大学吴涛团队在《Chip》期刊发表创新研究，开发出了一种基于悬浮Z切铌酸锂薄膜的超紧凑热声相位调制器。该器件通过巧妙的悬浮结构设计和闭环温控电路，实现了高频、高效、低功耗的声波相位调制，为芯片级可重构射频系统开辟了新路径。
研究团队采用的关键技术方法包括：基于离子束刻蚀和XeF2气相蚀刻的悬浮薄膜制备工艺，实现50μm深腔体结构；集成蛇形微加热器的单相单向换能器(SPUDT)设计，支持剪切水平(SH0)和非对称(A1)两种声学模式；以及基于惠斯通电桥的恒温(CT)控制电路，通过实时监测 heater 电阻动态调节功率。通过矢量网络分析仪和源测量单元的联用，系统表征了器件在直流和交流调制下的射频性能。
工作原理解析
器件核心为长350μm的声波传播路径，中心布置150μm长的铝微加热器。当加热器通电升温时，铌酸锂和铝的弹性模量随温度升高而降低，导致声波传播速度下降。这种"热致减速"效应使得加热区声波波长缩短，从而在输出端产生可调控的相位延迟。通过有限元分析(FEA)模拟发现，A1模式因更强的面外剪切位移，对铝层热弹性变化更敏感，其热声系数(ηTA)高达-79.4 ppm·μm-1·K-1，是SH0模式的2-8倍。
热管理创新
悬浮结构是突破性能瓶颈的关键。仿真显示，50μm空气腔有效隔绝了基底热耗散，使加热效率达到27.1 K·mW-1。瞬态热分析表明，750nm薄膜的热时间常数仅0.707ms，为快速响应奠定基础。更巧妙的是，团队将释放边界同时定义为热边界，使悬浮膜边缘始终锚定在室温，确保加热区域的高度局域化。
射频性能验证
实测数据显示，器件在0.5-3.5GHz范围内激发出六个清晰声学通带，包括三个SH0模式(505/1005/1545 MHz)和三个A1模式(2425/2955/3485 MHz)。随着加热电压从0V升至1V，所有通带相位曲线均呈现平滑下移，最大相移量随频率递增，最高达-118.4°/mW（A1(iii)模式），而传输损耗保持稳定，证明加热仅影响传播路径而非换能器性能。
动态调制突破
最具创新性的是恒温控制策略的应用。通过将微加热器作为惠斯通电桥的感温元件，闭环系统可实时补偿热惯性。测试表明，CT模式将热响应时间从恒压(CV)模式的1.68ms缩短至223μs，调制带宽从440Hz提升至2.83kHz，实现数量级的速度飞跃。这种"智能温控"使热声调制首次适用于包络跟踪、实时波束扫描等动态场景。
研究结论确立悬浮薄膜热声调制作为一种可扩展、高能效的相位控制方案。与现有技术对比，该器件在尺寸（0.104mm2）、能效（-118.4°/mW）和速度（223μs）方面均实现突破性进步，尤其适合5G毫米波、物联网设备等对尺寸敏感的应用场景。尽管当前插入损耗(15-25dB)仍需优化，但通过电极结构优化、高阶铌酸锂取向开发等途径，有望进一步提升性能。这项研究不仅推动了集成声信号处理器的发展，更为下一代可重构射频前端提供了芯片级解决方案，标志着声学调控技术在微波频段的应用迈入新阶段。
