Direct bandpass methodology for synthesis and design of stand-alone filters and duplexers based on acoustic wave technologies

Abstract

Hoy en día, constantes exigencias del usuario han llegado a ser el motor del progreso tecnológico. La evolución de los teléfonos móviles y de los estándares de telecomunicaciones es un claro ejemplo de rápido avance tecnológico que continúa mejorando. Actualmente, es imposible imaginar nuestra vida sin un teléfono móvil. Gracias al desarrollo de Internet móvil, ahora tenemos variedad de oportunidades sin límites. Para mantener el nivel de intercambio de datos cada vez mayor, la alta velocidad, la latencia reducida y los servicios de banda ancha se han convertido en los objetos de constante mejora tecnológica. Emergido estándar de red 4G en el estado de difusión y próximo estándar 5G requerirán una mejora aún más desafiante de estas características clave, afectando a todo el dispositivo móvil, pero especialmente a los sistemas de filtrado.

El objetivo principal de esta tesis es proporcionar técnicas avanzadas de síntesis para diseño de filtros de topología en escalera, duplexores y multiplexores, teniendo en cuenta las limitaciones tecnológicas que se vuelven más estrictas en el transcurso del tiempo. Las clásicas metodologías de síntesis pueden no ser suficientes para abordar innovaciones tecnológicas futuras. Incluso las técnicas de optimización frecuentemente utilizadas en la industria de filtros acústicos pueden consumir mucho tiempo en estas nuevas condiciones. Con el fin de proporcionar un resultado de alta precisión compatible con tecnología avanzada en todo el rango de frecuencias, en esta tesis se desarrolla la metodología de síntesis directa en paso banda. El método es especialmente útil para Carrier Aggregation de bandas contiguas y no contiguas, donde la evaluación de fase a una frecuencia alejada de la banda de paso debe ser de mayor precisión para evitar interferencias entre múltiples canales de transmisores y receptores.

Uno de los aspectos más importantes del diseño del filtro acústico es la adaptación de las restricciones tecnológicas y el cumplimiento de máscara. Esta tesis tiene en cuenta diferentes parámetros tecnológicos como el coeficiente de acoplamiento efectivo de cada resonador, frecuencias de resonancia, energía almacenada, área de filtro ocupada y factor de calidad. Las técnicas de síntesis descritas analizan y gestionan estas restricciones para proporcionar el mejor resultado posible dentro del rango de parámetros especificados.

Se presta especial atención a la gestión de factor de calidad del resonador acústico. Cuando el factor de calidad se tiene en cuenta directamente en el procedimiento de síntesis, se puede obtener características especiales de la respuesta en transmisión y reflexión. En este caso, el filtro diseñado se denomina "lossy" y se caracteriza por dimensiones finitas. Cierta distribución del factor de calidad de cada resonador puede mantener la planitud de la banda de paso y evitar el redondeo de los bordes, manteniendo así la información transmitida y recibida. La metodología propuesta de síntesis de filtro acústico lossy acomoda las restricciones tecnológicas y gestiona las pérdidas de cada resonador de tal manera que se puede obtener un filtro óptimo.

Today, constant end-user demands have become the engine of technological progress. Evolution of mobile phones and telecommunication standards is a clear example of fast technological breakthrough which continues to be improved. Nowadays, it is impossible to imagine our life without a mobile phone. Thanks to mobile Internet development, we have got unlimited opportunities. In order to maintain an ever-increasing data exchange, high data rates, reduced latency, and broadband data services have become objects of constant technological improvement. Emerged 4G network standard in deployment and upcoming 5G standard will require even more challenging enhancement of these key characteristics, affecting the entire mobile handset, but especially filtering systems.

The main objective of this thesis is to provide an advanced synthesis techniques for ladder-type acoustic filters, duplexers, and multiplexers, taking into account technological constraints which become more stringent in course of time. Classical synthesis methodologies may not be sufficient in order to tackle future technological innovations. Even optimization techniques, mostly used in industry of acoustic filters, can be very time consuming in these new conditions. In order to provide an accurate result compatible with advanced technology on the whole frequency range, direct bandpass synthesis methodology is developed in this work. The method is particularly useful for intra-band and inter-band Carrier Aggregation where phase evaluation at frequency far away from the passband has to be of the highest accuracy in order to avoid interferences between multiple transmitter and receiver channels.

One of the most important aspects of acoustic filter’ design is accommodation of technological constraints and mask specification fulfillment. This thesis takes into account such important technological parameters as effective coupling coefficient of each resonator, resonant frequencies, stored energy, occupied filter area, and quality factor. Described synthesis techniques analytically analyze and manage these constraints so as to provide the best possible result within the range of specified parameters.

Special attention is paid to quality factor management of acoustic resonator. When quality factor is taken into account directly in synthesis procedure, special features of transmission and reflection response can be obtained. In this case, designed filter is called "lossy" and it is characterized by finite dimensions. Certain distribution of quality factor of each resonator can maintain the flatness of passband and avoid edge rounding, thus maintaining the transmitted and received information. Proposed methodology of lossy acoustic filter synthesis accommodates the technological constraints and manage losses of every resonator so that an optimum filter based on acoustic waves can be obtained.