A Network Synthesis Approach to Microwave Acoustic Filters and Multiplexers: bridging the fields of filter synthesis and acoustic waves

Abstract

La tecnologia acústica de microones és el fonament que possibilita la gran quantitat de dispositius de comunicació sense fils que ens envolta (siguin aquests des de telèfons mòbils, encaminadors, sensors o fins i tot petites estacions base): una capacitat de miniaturització sense precedents emparellada amb un rendiment excel·lent fan d'aquesta tecnologia la base de les etapes de filtrat de les capçaleres de radiofreqüència per a dispositius mòbils. Aquests fets, afegits al desplegament de la tecnologia 5G i els treballs en el desenvolupament de 6G, permeten preveure tant un futur brillant per la tecnologia com una llarga llista de reptes per resoldre. En aquest context, aquesta tesi aspira a enfrontar la gran complexitat de dissenyar filtres i multiplexors microacústics construint sobre conceptes d'un camp poc conegut però molt interessant anomenat síntesis de xarxes.

En aquesta tesi, la discussió sobre síntesi de xarxes en el context de la tecnologia microacústica es desenvolupa en dos camins. Començant per considerar xarxes de dos ports, la tesi se centra en com explotar la fase de reflexió tant a l'entrada com a la sortida d'un filtre per descriure l'impacte que aquesta té sobre els paràmetres finals del filtre i desenvolupa les consideracions necessàries per a sintetitzar un filtre en escala començant en ressonador paral·lel així com la possibilitat d'obtenir dispositius implementant dues bandes de pas considerant les fases de reflexió de dos filtres en escala diferents. A partir de les conclusions extretes en aquesta discussió, també es presenta la possibilitat de sintetitzar filtres microacústics en escala amb zeros de transmissió en posicions no esperades i es demostra un prototip fabricat.

El segon camí de discussió de la síntesi de xarxes en aquest treball se centra en estendre les tècniques de síntesi ja conegudes i presentades a la tesi per a considerar també, per primera vegada, multiplexors. Un tipus de dispositiu fonamental en les capçaleres modernes que permeten agregat de portadores i que suposa un veritable repte de disseny. La tècnica de síntesi per a multiplexors presentada en aquesta tesi es basa en calcular com han de ser les respostes d'un conjunt de filtres per tal que quan es connecten junts en un port comú, la resposta de multiplexor obtinguda sigui la desitjada i compleixi les especificacions.

En paral·lel a les tècniques de síntesi de xarxes desenvolupades, aquest treball també presenta els resultats obtinguts en les fases inicials de fabricació i caracterització de ressonadors microacústics explotant el mode transversal horitzontal d'ordre zero en una làmina fina de niobat de liti amb l'objectiu de desenvolupar una plataforma de demostració de les tècniques de síntesi presentades en aquesta tesi. La discussió d'aquests resultats tecnològics se centra en els efectes del gruix de l'elèctrode i dels patrons d'apoditzat del transductor interdigital en la supressió de modes espuris tant en la direcció longitudinal com la transversal, respectivament.

La tecnología acústica de microondas es el fundamento que posibilita la gran cantidad de dispositivos de comunicación inalámbrica que nos rodean (sean desde teléfonos móviles, enrutadores, sensores o hasta pequeñas estaciones base): una capacidad de miniaturización sin precedentes emparejada con un rendimiento excelente hacen de esta tecnología la base de las etapas de filtrado de las cabeceras de radiofrecuencia para dispositivos móviles. Estos hechos, junto con el despliegue de la tecnología 5G y el trabajo en el desarrollo de 6G, permiten prever un futuro brillante de la tecnología así como una larga lista de retos que resolver. En este contexto, esta tesis aspira a afrontar la gran complejidad de diseñar filtros y multiplexores microacústicos construyendo sobre conceptos de un campo poco conocido pero muy interesante llamado síntesis de redes.

En esta tesis, la discusión sobre síntesis de redes en el contexto de la tecnología microacústica se desarrolla en dos caminos. Empezando por considerar las redes de dos puertos, la tesis se centra en explotar la fase de reflexión tanto a la entrada como a la salida de un filtro para describir el impacto que ésta tiene sobre los parámetros finales del filtro y desarrolla las consideraciones necesarias para sintetizar un filtro en escalera empezando en resonador paralelo así como la posibilidad de obtener dispositivos que implementan dos bandas de paso considerando la fase de reflexión de dos filtros en escalera distintos. A partir de las conclusiones extraídas de esta discusión, también se presenta la posibilidad de sintetizar filtros microacústicos en escalera con ceros de transmisión en posiciones no esperadas y se demuestra un prototipo fabricado.

El segundo camino de discusión de la síntesis en este trabajo se centra en extender las técnicas de síntesis ya conocidas y presentadas en esta tesis para considerar también, por primera vez, multiplexores. Un tipo de dispositivo fundamentas en las cabeceras modernas que permiten agregar portadoras y que suponen un verdadero reto de diseño. La técnica de síntesis para multiplexores propuesta en esta tesis se basa en calcular como deben ser las respuestas de un conjunto de filtros tal que cuando se conectan conjuntamente a un puerto común, la respuesta de multiplexor obtenida sea la deseada y cumpla las especificaciones.

En paralelo a las técnicas de síntesis de redes desarrolladas, este trabajo también presenta los resultados obtenidos en las fases iniciales de fabricación y caracterización de resonadores microacústicos explotando el modo transversal horizontal de orden cero en una lámina fina de niobato de litio con el objetivo de desarrollar una plataforma de demostración de las técnicas de síntesis presentadas en la tesis. La discusión de estos resultados tecnológicos se centra en los efectos del grosor del electrodo y de los patrones de apodizado del transductor interdigital en la supresión de modos espurios tanto en la dirección longitudinal como transversal, respectivamente.

Microwave acoustic technology is a fundamental enabler of the now ubiquitous wireless communication devices (let them be smartphones, routers, sensing nodes or even small base stations, to name a few): an unmatched miniaturization capability paired with excellent performance make it the mainstay for the filtering stages of modern radio frequency front-end modules for mobile devices. Even further, with the current deployment of 5G and the already ongoing development of 6G, a bright future for the technology is foreseeable together with a plethora of challenges still to be solved. In this context, this thesis aims at tackling the complexity of microwave acoustic filter and multiplexer design building on concepts from a not very well known but very interesting research field named network synthesis.

In this work, the discussion of network synthesis techniques in the context of microwave acoustic technology is constructed in two separated paths. Starting from the consideration of two-port networks, this thesis covers the exploitation of the input and output reflection phase of a filter describing its impact in final device parameters and develops both the intrinsic considerations of ladder filters starting in shunt resonator and the possibility to compose devices with two passbands by considering reflection phases of two separate ladder structures. Building on the findings from such discussion, an approach to compose ladder filters with transmission zeros at unexpected positions is discussed and demonstrated with a fabricated prototype.

The second network synthesis discussion path in this work is devoted to extending the already developed synthesis techniques to consider multiplexers. A core component in modern front-ends implementing carrier aggregation, and a true design challenge. The multiplexer synthesis technique proposed for the first time in this thesis is based on computing how must a set of filter responses be such that when connected together at a common port, the desired multiplexer response fulfilling specifications is obtained.

From a technological perspective, in parallel to the developed network synthesis techniques, this work also presents the results obtained from the initial manufacturing and characterization stages of microwave acoustic resonators based on exploiting the zeroth-order shear horizontal mode on a thin film of lithium niobate with the objective of developing a demonstration platform for some of the synthesis techniques in this thesis. The discussion of such results is focused on the effects of electrode thickness and transducer apodization patterns on the suppression of spurious modes both in the longitudinal and transversal directions, respectively.