RF filters and multiplexers based on acoustic wave technologies with ladder-type and cross-coupled topologies. Designing under a systematic strategy

Abstract

La tecnologia mòbil ha emergit com la plataforma de major èxit per a la implantació de serveis innovadors i aplicacions d’usuari tant des d’un punt de vista tecnològic com econòmic. Els dispositius mòbils estan modificant els hàbits de comportament de les persones i veiem contínuament com, en aquest sentit, la nostra societat millora dia a dia. Amb la xarxa 4G en ple procés de desplegament i els futurs estàndards 5G en ple desenvolupament, la demanda global per al servei de dades de banda ampla ha estat sotmesa a un cicle de creixement imparable. I continuarà així alimentat per la ubiqüitat del servei, segons les previsions del Cisco. El més important ´es que aquest creixement indubtablement demostra la importància de la banda ampla per als ciutadans, la societat i l’economia, mentre dibuixa un gran repte als proveïdors de serveis de xarxa. L’objectiu d’aquest treball està centrat en el desenvolupament de tècniques de síntesi per al disseny de dispositius filtrants basats en tecnologies micro-acústiques, enfocant així el gran repte de gestió de l’espectre freqüencial en el segment d’usuari. En general, el disseny d’aquest tipus de dispositius es basa en tècniques d’optimització degut a les rigoroses limitacions imposades per la viabilitat tecnològica dels ressonadors acústics, així com a les exigents especificacions de rendiment del dispositiu. És per aquests motius que el disseny i fabricació de filtres i duplexors basats en tecnologia acústica creen un gran repte cada cop més difícil d’assolir. En aquest treball es proporcionen metodologies sistemàtiques enfocades en millorar i fer més eficient el disseny de dispositius filtrants basats en ressonadors acústics. El més important durant el disseny de filtres i duplexors basats en tecnologia acústica ´es que els ressonadors siguin viables tecnològicament. Les diferents metodologies presentades en aquest treball són útils per a la síntesi de topologies en escalera o xarxes amb acoblaments creuats on la viabilitat tecnològica ´es un requisit indispensable en totes les solucions proporcionades. El coeficient d’acoblament de cada ressonador, les freqüències de ressonància, el factor de qualitat, l’energia emmagatzemada, o l’àrea del xip son paràmetres que es tenen en compte durant el disseny d’aquest tipus de dispositius. Mitjançant les tècniques de síntesi proporcionades en aquest treball, no només es controlen analíticament aquestes restriccions, sinó que s’obtenen resultats òptims en el mínim temps i cost computacional. L’ús d’aquestes tècniques, a més, permet un control dels paràmetres de fase essencial per al disseny de multiplexors, els quals estan en el punt de mira com a dispositiu indispensable dins les capçaleres dels futurs sistemes sense fils preparats per treballar amb el protocol de Carrier Aggregation dins els estàndards 4G-Advanced i 5G. Dispositius filtrants, duplexors i multiplexors viables tecnològicament i complint amb les especificacions de màscara freqüencials són resultat de l’ús de les metodologies proposades en aquest treball.

The mobile technology has emerged as the most successful platform for the introduction of innovative services and user applications from both a technological and economical perspective. Mobile devices are changing the habits of the people and it is possible to see how, in this sense, our society is continuously improving. With the 4G network in process of deployment and the future 5G standards under development, global demand for broadband data services has been subjected to a series of unstoppable growth. And it will continue increasing pushed by the ubiquity of the service, according to Cisco's forecasts. The most important is that this growth undoubtedly demonstrates the importance of broadband services for the people, society, and economy, while it is drawing a major challenge for the network service providers.

The aim of this work is to develop synthesis techniques for the design of filtering devices based on micro-acoustic technologies, focusing therefore the great challenge of frequency spectrum management in the user segment. In general, the design of these filtering devices is based on optimization techniques because of the stringent requirements imposed by the technological feasibility of acoustic resonators and the tight performance specifications of the device. For this reason, the design and manufacture of filters and duplexers based on acoustic resonators becomes a huge challenge increasingly difficult to achieve. In this work, systematic methodologies are presented in order to improve and make more efficient the design of filtering devices based on micro-acoustic technologies.

The most important consideration during the synthesis of filters and duplexers is that the resonators must be technologically feasible. The methodologies presented in this work are useful for the design of ladder-type filters and cross-coupled prototypes in which the technological feasibility is an essential requirement for all the provided solutions. The effective coupling coefficient of each resonator, the resonant frequencies, the quality factor, the stored energy, or the chip size are parameters to consider during the design of micro-acoustic filters. By means of the techniques provided in this work, all these restrictions are analytically managed, and optimum results are obtained with a minimum time and computational effort.

Moreover, the use of these synthesis techniques allows the control of the phase parameters, which are essential for the design of multiplexer devices. These are considered the main device for the future radio-frequency front-end modules ready to work with Carrier Aggregation and the 4G-Advanced and 5G standards. Stand-alone filtering devices, duplexers, and multiplexers, ready to accommodate the micro-acoustic technological requirements and satisfying the frequency mask specifications, as long as possible, are the result of the proposed methodologies in this work.