Novel transversal topologies and coupled resonator configurations for acoustic wave filters

Abstract

(English) During the last years, electro-acoustic technology has been a key factor in the development of portable devices thanks to its high performance and very compact filtering structures. Such a technology has enabled the inclusion of several systems and standards in a single device.Specifically, with the introduction of the new 5G and the carrier aggregation techniques, today's handset devices might have more than 50 RF filters to support usage in countries across the world. As a matter of fact, the expectation is that these numbers increase over the future.

The new generation of communication standards calls for very wide bandwidths of operation and higher data rates. These requirements impose the development of ultra-wideband filters that can provide outstanding performance in terms of low loss, high rejection and multifrequency operability in the smallest possible footprint.

Ladder filter topology has been the preferred one for the development of filters in the past generations of standards, since it provides very high selective filters with low insertion loss levels. However, the maximum achievable bandwidth is limited to the electro-acoustic coupling coefficient, the position of the transmission zeros depends on the resonant frequencies of the resonators and its out-of-band behavior is determined by the capacitance ratio between resonators. These shortcomings could become a bottleneck for the forthcoming stringent specifications.

In a recent work, a new transversal topology has been introduced that offers a high degree of flexibility in the design of acoustic filters and it has proven to solve some of the limitations of the ladder topology. Nevertheless, its differential behavior requires of a balun stage to properly work. Moreover, some circuital transformations that are carried out in the current synthesis procedures have some limitations when ultra-wideband filters are targeted.

The aim of this work is to provide novel solutions that overcome the existing limitation of the current filter topologies in the state-of-the-art. Thereby, contributing with filter synthesis procedures that provide filters with larger relative bandwidths, higher rejection and a higher degree of miniaturization. On the one hand, a new synthesis procedure based on acoustic transversal filters for ultra-wideband filters is presented which culminates with the manufacturing of a real prototype with 24 % of fractional bandwidth operating at the N77 band. Moreover, advanced filtering responses based on multifiltering schemes for transversal topology are also analyzed. On the other hand, the concept of transversal topology is applied to acoustically-coupled structures: Stacked Crystal Filters and Coupled Resonator Filters (CRF). The extension of the transversal topology to these two configurations will allow to remove the balun stage of the convential acoustic transversal filters and also to provide a higher level of miniaturization. Finally, a new synthesis procedure for the development of fourth-order acoustic CRF structures from the mathematical formulation to the real layer configuration is presented. This might be a key factor for the development of the next generation of filters, since it could be mixed with ladder and transversal topologies and give rise to advanced responses with improved performance, as well as with a further degree of miniaturization.

(Español) Durante los últimos años, la tecnología electroacústica ha sido un factor clave en el desarrollo de dispositivos portátiles gracias al alto rendimiento que proporcionan sus etapas de filtrado en términos de respuesta en frecuencia y tamaño. Tal tecnología ha permitido la inclusión de varios sistemas y estándares en un solo dispositivo. Concretamente, con la introducción del 5G y la aparición de nuevas técnicas de agrupación del espectro (Carrier Aggregation), los dispositivos móviles actuales pueden llegar a contener más de 50 filtros de radiofrecuencia, que permiten su uso en países de todo el mundo. De hecho, la expectativa es que estos números aumenten en el futuro.

Los requerimientos de la nueva generación de estándares de comunicación se caracterizan por tener anchos de banda de operación muy amplios y velocidades de datos más altas. Estos requisitos imponen el desarrollo de filtros de banda ultra ancha capaces de proporcionar un rendimiento excepcional en términos de pérdidas de inserción, atenuación y miniaturización. Además, también deben mostrar un buen desempeño en el desarrollo de etapas de filtrado más complejas, tales como multiplexores o filtros multibanda. La topología de filtro de escalera (comúnmente conocida con su término en inglés, Ladder) ha sido la preferida para el desarrollo de filtros en las pasadas generaciones de estándares, ya que proporciona respuestas en frecuencia muy selectivas con bajos niveles de pérdidas de inserción. Sin embargo, el ancho de banda máximo alcanzable está limitado por el coeficiente de acoplamiento electromecánico, la posición de los ceros de transmisión depende de las frecuencias de resonancia de los resonadores y su comportamiento fuera de banda está determinado por la relación de capacitancia entre resonadores. Estas limitaciones podrían suponer un cuello de botella ante las estrictas especificaciones que la nueva generación de estándares plantea.

En un trabajo reciente, se ha introducido una nueva topología transversal que ofrece un alto grado de flexibilidad en el diseño de filtros electroacústicos y ha demostrado resolver algunas de las limitaciones de la topología Ladder. Sin embargo, su comportamiento diferencial requiere la inclusión de un balun externo para su correcto funcionamiento. Además, algunas transformaciones circuitales que se llevan a cabo en los procedimientos de síntesis actuales tienen algunas limitaciones cuando se pretende diseñar filtros de banda ultra ancha.

El objetivo de este trabajo es aportar soluciones novedosas que resuelvan algunas de las limitaciones de las topologías de filtros acústicos presentes actualmente en el estado del arte. De esta forma, se contribuye con procedimientos de síntesis de filtros que proporcionan respuestas en frecuencia con mayores anchos de banda relativos, mayor rechazo y mayor grado de miniaturización. Por un lado, se presenta un nuevo procedimiento de síntesis basado en filtros transversales acústicos para filtros de banda ultra ancha, que culmina con la fabricación de un prototipo real con un 24 % de ancho de banda relativo operando en la banda N77. Además, también se analiza el rendimiento de la topología transversal acústica en respuestas de filtrado más complejas, tales como multiplexores o filtros multibanda. Por otro lado, el concepto de topología transversal se aplica a estructuras acopladas acústicamente: Stacked Crystal Filters y Coupled Resonator Filters (CRF). La extensión de la topología transversal a estas dos configuraciones permite la eliminación del balun externo que necesitan los filtros transversales acústicos convencionales, y también proporciona un mayor nivel de miniaturización. Finalmente, se presenta un nuevo método de síntesis para el desarrollo de estructuras CRF acústicas de cuarto orden. El nuevo procedimiento proporciona respuestas de filtro de este tipo, partiendo desde la formulación matemática hasta la obtención de la configuración final con dimensiones y materiales reales.