Advanced Synthesis Techniques for Microwave Acoustic Filters and Multiplexers: Beyond the classical interpretation

Abstract

La indústria de les comunicacions mòbils s'ha convertit en un dels sectors més tecnològicament exigents, impulsada per la creixent necessitat de majors velocitats de dades i millores en l'experiència dels usuaris de dispositius mòbils. Aquesta demanda ha accelerat el llançament de nous serveis i tecnologies de telecomunicacions en períodes de temps relativament curts, fet que crea la necessitat de bandes de freqüència addicionals i nous estàndards de comunicació. Això ha conduït amb el temps cap a arquitectures de radiofreqüència més complexes i avançades en els mòduls de comunicació. Amb el desplegament actual de les xarxes 5G i el desenvolupament del futur estàndard 6G, s'espera que aquests reptes siguin encara més exigents.

Fins ara, la tecnologia acústica de microones ha estat un dels principals facilitadors, proporcionant dispositius de filtratge d'alt rendiment en formats extremadament compactes. No obstant això, a causa de la complexitat d'aquests dispositius, sovint el seu disseny es basa en algorismes d'optimització, que poden consumir grans quantitats de recursos computacionals i temps. L'objectiu principal d'aquest treball és desenvolupar mètodes de síntesi analítica per al disseny de dispositius de filtratge basats en tecnologies acústiques de microones. Mitjançant l'ús de mètodes purament analítics, es pot reduir significativament el temps i el cost computacional necessaris per trobar el filtre òptim que compleixi totes les especificacions i restriccions tecnològiques.

Les metodologies de síntesi presentades en aquest treball se centren especialment en dispositius avançats, com ara filtres de banda de rebuig i de doble banda. Tot i que aquests tipus de dispositius ja es despleguen en terminals d'estacions base, estan començant a guanyar interès en els terminals mòbils a mesura que les arquitectures de radiofreqüència es tornen cada cop més complexes. A més, aquesta tesi aborda la síntesi de dispositius avançats des d'una perspectiva topològica, anant més enllà dels dissenys convencionals i oferint eines generals de síntesi per abordar de manera efectiva la síntesi de topologies no estàndard. Addicionalment, l'aplicació de tècniques de síntesi també s'estén a dispositius de filtratge multiport, com ara els multiplexors. Aquestes xarxes són essencials en les arquitectures dels mòduls de comunicació actuals, ja que suporten la duplexació de bandes en freqüència i els esquemes de portadora agregada. Així doncs, en aquest treball es presenten mètodes analítics i generals per aconseguir respostes òptimes de multiplexors.

Com a resultat, els mètodes de síntesi desenvolupats en aquest treball cobreixen tant dispositius avançats aïllats com multiplexors que compleixen amb les estrictes restriccions de les tecnologies acústiques de microones, alhora que satisfan les especificacions en freqüència. Tot aquest desenvolupament es produeix amb la idea de poder estar preparats per les exigents arquitectures que estàn per venir juntament amb els nous estàndards de comunicació.

La industria de las comunicaciones móviles se ha convertido en uno de los sectores tecnológicamente más exigentes, impulsada por la creciente necesidad de mayores tasas de datos y experiencias de usuario mejoradas en dispositivos móviles. Esta demanda ha acelerado la implementación de nuevos servicios y tecnologías de telecomunicaciones en plazos relativamente cortos, lo que a su vez genera la necesidad de más bandas de frecuencia y nuevos estándares de comunicación. Esto ha llevado a arquitecturas de radiofrecuencia más complejas y avanzadas en los módulos de comunicación. Con el despliegue continuo de redes 5G y el desarrollo del futuro estándar 6G, se espera que estos desafíos sean aún más exigentes.

Hasta la fecha, la tecnología acústica de microondas ha sido uno de los facilitadores clave, proporcionando dispositivos de filtrado de alto rendimiento en formatos extremadamente compactos. Sin embargo, debido a la complejidad de estos dispositivos, su diseño a menudo depende de algoritmos de optimización, que pueden consumir recursos computacionales significativos y tiempo. El objetivo principal de este trabajo es desarrollar métodos de síntesis analítica para el diseño de dispositivos de filtrado basados en tecnologías acústicas de microondas. Al aprovechar métodos puramente analíticos, se puede reducir significativamente el tiempo y el costo computacional necesarios para encontrar el filtro óptimo que cumpla con todas las especificaciones y restricciones tecnológicas.

Las metodologías de síntesis presentadas en este trabajo se centran particularmente en dispositivos avanzados, como filtros de banda eliminada y de doble banda. Si bien estos tipos de filtros ya se emplean en terminales de estaciones base, ahora están ganando atención en terminales de mano a medida que las arquitecturas de radiofrecuencia se vuelven cada vez más complejas. Además, esta tesis aborda la síntesis de dispositivos avanzados también desde una perspectiva topológica, yendo más allá de los diseños convencionales y ofreciendo herramientas de síntesis generales para abordar eficazmente topologías de filtro no estándar. Asimismo, la aplicación de estas técnicas de síntesis se extiende a dispositivos de filtrado multi-puerto, como los multiplexores. Estas redes son fundamentales en las arquitecturas de comunicación actuales, ya que soportan esquemas de división de frecuencias y de agregación de portadoras. En este trabajo, se introduce un método general y analítico para lograr respuestas óptimas de multiplexores.

Como resultado, los enfoques de síntesis desarrollados en este trabajo abordan tanto dispositivos avanzados independientes como multiplexores, cumpliendo con las estrictas restricciones de las tecnologías acústicas de microondas, a la vez que satisfacen las especificaciones de pérdidas y rechazo. Este desarrollo está impulsado por la necesidad de estar preparados para las arquitecturas cada vez más complejas que acompañarán a los futuros estándares de comunicación.

The mobile communications industry has become one of the most technologically demanding sectors, driven by the increasing need for higher data rates and enhanced user experiences in mobile devices. This demand has accelerated the rollout of new telecommunication services and technologies within relatively short time frames, which in turn creates a need for additional frequency bands and new communication standards. This has led to more complex and advanced radiofrequency architectures in communication front-ends. With the ongoing deployment of 5G networks and the development of the future 6G standard, these challenges are expected to become even more demanding.

To date, microwave acoustic technology has been one of the key enablers, providing high-performance filtering devices in extremely compact form factors. However, due to the complexity of these devices, their design often relies on optimization algorithms, which can consume significant computational resources and time. The primary goal of this work is to develop analytical synthesis methods for designing filtering devices based on microwave acoustic technologies. By leveraging purely analytical methods, the computational time and cost of finding the optimal filter, which meets all specifications and technological constraints, can be significantly reduced.

The synthesis methodologies presented in this work focus particularly on advanced devices, such as bandstop and dual-band filters. While these types of filters are already deployed in base-station terminals, they are now gaining attention in handset terminals as radiofrequency architectures become increasingly complex. Additionally, this thesis addresses the synthesis of advanced devices also from a topological perspective, moving beyond conventional designs and offering general synthesis tools to tackle non-standard filter topologies effectively. Furthermore, the application of these synthesis techniques is extended to multiport filtering devices, such as manifold multiplexers. These networks are critical in current front-end architectures as they support frequency-division duplexing and Carrier Aggregation schemes. A general and analytical method for achieving optimum multiplexer responses is introduced.

As a result, the synthesis approaches developed in this work address both advanced standalone devices and multiplexers, meeting the stringent constraints of microwave acoustic technologies while also satisfying loss and rejection specifications. This development is driven by the need to be prepared for the increasingly complex architectures that will accompany future communication standards.