Nonlinear analysis of electro-acoustic frequency-selective devices for communications

Abstract

Nowadays, mobile devices have become a key technology in our lives, making us become part of a connected world, in which millions of mobile handsets are sold every year. In order to satisfy the user demands, many mobile communication standards are working together in the same device (LTE-A, 5G-NR, IEEE Wireless LAN Standards, etc.). High data rates are demanded for different wireless services working on a very crowded frequency spectrum, where all the devices and systems need to operate at the same time without detrimental of mutual interference.

Although this major objective has to be faced from different perspectives, such as new modulations and new networking protocols, the radio frequency (RF) and microwave components, forming the communication chain in a transceiver, play a significant role on the whole system performance.

Passive devices, like filters, contribute to the signal degradation due to passive intermodulation (PIM). PIM can be generated by the lack of mismatch between metallic contacts, oxidation, or basically, by the inherent nonlinear material properties used on the fabrication of the devices. Although the impact of PIM is lower than the distortion introduced by active devices, for current wireless services and their demanding requirements, any type of nonlinear generation is certainly an issue.

Acoustic wave (AW) devices have become a fundamental technology for portable handsets supporting current wireless communication networks. Bulk Acoustic Wave (BAW) has become the main technology nowadays for high frequency filters. This technology allows a high degree of miniaturization, easily making more than 40 filters per device, and also gives other advantages as low insertion losses and multiple frequency operation. Despite these major advantages, BAW resonators exhibit a nonlinear behavior, i.e., they may suffer of intermodulation and harmonic distortion, which might become a real bottle neck for the full expansion of the technology in the ever increasing stringent requirements.

The aim of this thesis is focused on characterizing this nonlinear limitation, quite present in acoustic resonators, by defining the origin of different nonlinear manifestations in BAW resonators, and providing new nonlinear models to reduce the computational time required to simulate those undesired effects.

The first part of this work explains the basic knowledge about acoustic propagation and piezoelectricity, presenting the linear and nonlinear constitutive equations, including the typical nonlinear manifestations appearing in those devices. Then, the typical circuit models for AW devices and, more specifically its applicability to BAW devices, is presented.

The second part of this work is focused on the nonlinear analysis of BAW resonators, by measuring different nonlinear manifestation of 8 different BAW devices, identifying the origin of the nonlinear effects and demonstrating that this unique hypothesis is consistent with those manifestations for all the measured resonators.

Avui en dia, els dispositius mòbils s’han convertit en una tecnologia clau a les nostres vides, fent-nos formar part d’un món connectat, en el qual es venen milions de telèfons mòbils cada any. Per tal de satisfer les demandes dels usuaris, molts estàndards de comunicacions mòbils treballen junts en el mateix dispositiu (LTE-A, 5G-NR, IEEE Wireless LAN Standards, etc.). Es requereixen altes velocitats de transmissió de dades per als diferents serveis de comunicació sense fils, treballant en un espectre de freqüències molt concorregut, on tots els dispositius i sistemes han de funcionar al mateix temps sense interferir-se mútuament. Tot i que aquest objectiu principal s’ha d’afrontar des de diferents perspectives, com ara noves modulacions i nous protocols de xarxa, els components de radiofreqüència i de microones, que formen la cadena de comunicacions en un transceptor, tenen un paper important en el rendiment de tot el sistema. Els dispositius passius, com els filtres, contribueixen a la degradació del senyal a causa de la intermodulació passiva (PIM). La PIM es pot generar per el desajust entre contactes metàl·lics, l’oxidació o, bàsicament, per les propietats no lineals inherents dels materials que s’utilitzen en la fabricació dels dispositius. Tot i que l’impacte de la PIM és inferior a la distorsió introduïda pels dispositius actius, per als serveis sense fils actuals i els seus requisits exigents, qualsevol tipus de generació no lineal és sens dubte un problema. Els dispositius d’ona acústica (AW) s’han convertit en una tecnologia fonamental per a telèfons mòbils treballant a les xarxes de comunicació sense fils actuals. La tecnologia Bulk Acoustic Wave (BAW) s’ha convertit avui en dia en la principal tecnologia per filtres d’alta freqüència. Aquesta tecnologia permet un alt grau de miniaturització, podent fabricar més de 40 filtres per dispositiu i també ofereix altres avantatges com baixes pèrdues d’inserció i el funcionament a freqüències múltiples. Malgrat aquests avantatges, els ressonadors BAW presenten un comportament no lineal considerable, per exemple, poden sofrir generació d’intermodulació i distorsió harmònica, cosa que podria convertir-se en un autèntic coll d'ampolla per a la plena expansió de la tecnologia amb requisits, cada vegada, més estrictes. L’objectiu d’aquesta tesi es centra en la caracterització d’aquesta limitació no lineal, força present en els ressonadors acústics, definint l’origen de diferents manifestacions no lineals en els ressonadors BAW i proporcionant nous models no lineals per reduir el temps de càlcul necessari per simular aquests efectes no desitjats. La primera part d’aquest treball explica els coneixements bàsics sobre la propagació acústica i la piezoelectricitat, presentant les equacions constitutives lineals i no lineals, incloses les manifestacions no lineals típiques que apareixen en aquests dispositius. A continuació, es presenten els models de circuits típics per a dispositius AW i, més concretament, la seva aplicabilitat a dispositius BAW. La segona part d’aquest treball es centra en l’anàlisi no lineal de ressonadors BAW, mesurant diferents manifestacions no lineals de 8 dispositius BAW diferents, identificant l’origen dels efectes no lineals i demostrant que aquesta hipòtesi única es consistent amb aquestes manifestacions per tots els ressonadors mesurats