Analysis and Design of Bulk Acoustic Wave Filters Based on Acoustically Coupled Resonators

Abstract

El ràpid creixement dels sistemes de telecomunicacions sense fils ha portat a una creixent demanda de dispositius mòbils amb requisits cada vegada més estrictes per als filtres de microones incloent un millor rendiment, miniaturització i la reducció de costos. Una nova tecnologia de filtres de RF s’ha consolidat en l'última dècada: la tecnologia BAW. Els filtres BAW són perfectament adequats com a filtres miniaturitzats i d'alt rendiment per a aplicacions d'alta freqüència. En comparació amb la tecnologia SAW, els filtres BAW proporcionen menors pèrdues d'inserció, una millor selectivitat, compatibilitat CMOS, millor maneig de potència i una major freqüència de treball. Un CRF BAW és un dels més recents filtres BAW que permet oferir una àmplia gamma de noves i interessants propietats en comparació dels seus predecessors. Basat en el concepte de ressonadors acoblats acústicament, es poden oferir respostes Chebyshev clàssiques i avançades, millor ample de banda, més miniaturització i conversió de mode. La complexitat d'un CRF és considerable en termes de disseny i fabricació, a causa de la quantitat de làmines que el conformen. El disseny de filtres BAW es basa en dimensionar les capes del dispositiu. El disseny és complex i els procediments d'optimització poden no ser eficients a causa de la quantitat de variables que intervenen en el procés. En aquest treball es presenta una metodologia d'anàlisi i síntesi. Les tècniques poden fer front a les estructures de diverses capes d'una manera directa. Es presenta un conjunt de models circuitals completament elèctrics que simplifiquen i recullen el comportament dels CRF, dispositius que funcionen tant en els dominis elèctric i mecànic. S'han establert un conjunt d'eines per analitzar el ressonador per mitjà de teoria de xarxes i és la base per a l'anàlisi d'estructures compostes de diversos ressonadors i múltiples capes de làmines primes. Es desenvolupa un model per al CRF utilitzant transformacions de xarxa i aproximacions respecte a les freqüències de funcionament dels dispositius BAW. Es presenta un anàlisi profund del BAW CRF amb els models proposats com una eina que permet guiar el procediment analític. L'anàlisi dels filtres facilita una millor comprensió del seu funcionament i una manera d'establir els límits de les respostes que poden oferir. Es presenten metodologies de disseny de filtres amb la finalitat d'obtenir les geometries de l'estructura i la topologia dels filtres BAW per complir amb les respostes prescrites. El disseny del filtre es dona a partir d'una comprensió clara dels seus mecanismes de filtratge de manera que facilita l'explotació de les seves característiques inherents. Les respostes avançades amb zeros de transmissió o els filtres de banda de rebuig procedents dels nous dispositius presentats es sintetitzen per mitjà de les metodologies proposades.

El rápido crecimiento de los sistemas de telecomunicaciones inalámbricas ha llevado a una creciente demanda de dispositivos móviles con requisitos cada vez más estrictos para los filtros de microondas incluyendo un mejor rendimiento, miniaturización y la reducción de costes. Una nueva tecnología de filtros de RF se ha consolidado en la última década: la tecnología BAW. Los filtros BAW son perfectamente adecuados como filtros miniaturizados y de alto rendimiento para aplicaciones de alta frecuencia. En comparación con la tecnología SAW, los filtros BAW proporcionan menores pérdidas de inserción, una mejor selectividad, compatibilidad CMOS, mejor manejo de potencia y una mayor frecuencia de trabajo. Un CRF BAW es uno de los más recientes filtros BAW que permite ofrecer una amplia gama de nuevas e interesantes propiedades en comparación con sus predecesores. Basado en el concepto de resonadores acoplados acústicamente, se pueden ofrecer respuestas Chebyshev clásicas y avanzadas, mejor ancho de banda, más miniaturización y conversión de modo. La complejidad de un CRF es considerable en términos de diseño y fabricación, debido a la cantidad de láminas que lo conforman. El diseño de filtros BAW se basa en dimensionar las capas del dispositivo. El diseño es complejo y los procedimientos de optimización pueden no ser eficientes debido a la cantidad de variables que intervienen en el proceso. En este trabajo se presenta una metodología de análisis y síntesis. Las técnicas pueden hacer frente a las estructuras de varias capas de una manera directa. Se presenta un conjunto de modelos circuitales completamente eléctricos que simplifican y recogen el comportamiento de los CRF, dispositivos que funcionan tanto en los dominios eléctrico y mecánico. Se han establecido un conjunto de herramientas para analizar el resonador mediante teoría de redes y es la base para el análisis de estructuras compuestas de varios resonadores y múltiples capas de láminas delgadas. Se desarrolla un modelo para el CRF utilizando transformaciones de red y aproximaciones respecto a las frecuencias de funcionamiento de los dispositivos BAW. Se presenta un análisis profundo del BAW CRF con los modelos propuestos como una herramienta que permite guiar el procedimiento analítico. El análisis de los filtros facilita una mejor comprensión de su funcionamiento y una manera de establecer los límites de las respuestas que pueden ofrecer. Se presentan metodologías de diseño de filtros con el fin de obtener las geometrías de la estructura y la topología de los filtros BAW para cumplir con las respuestas prescritas. El diseño del filtro se da a partir de una comprensión clara de sus mecanismos de filtrado de modo que facilita la explotación de sus características inherentes. Las respuestas avanzadas con ceros de transmisión o los filtros de banda de rechazo procedentes de los nuevos dispositivos presentados se sintetizan por medio de las metodologías propuestas.

The speedy growth of wireless telecommunication systems has led to an increasing demand for hand-held devices with more and more stringent requisites for microwave filters including better performance, miniaturization and reduced costs. A new RF filter technology has emerged during the last decade: BAW technology. BAW filters are perfectly suitable as miniaturized high performance filters for high frequency and power applications. Compared to SAW filter technology, BAW filter solutions can provide lower insertion loss, better selectivity, CMOS compatibility, higher power handling and higher operation frequency.A BAW CRF is one of the latest BAW filter topologies to offer a range of new and interesting properties compared to its predecessors. Based on the concept of acoustically coupled resonators, it can provide classical and advanced Chebyshev responses, better bandwidths, more miniaturization and mode conversion. The complexity of a CRF is considerable in terms of design and fabrication due to the quantity of films that it comprises.The design of BAW filters is based on sizing the layers of the physical device. It becomes complicated with this amount of layers, and optimization procedures may not be efficient due to the number of variables involved in the process. A methodology to analyze and synthesize BAW CRFs is presented in this work. The techniques can deal with multilayered structures in a straightforward way.A set of fully electric circuital models that simplify and gather the behavior of CRFs, devices that work both in the electrical and the mechanical domains, are presented. A set of tools to analyze the resonator by means of network theory is established and is the basis for analyzing structures composed of several resonators and multiple thin-film layers. A model for the most basic CRF is developed using network transformations and approximations regarding the frequencies of operation of the BAW devices.A profound analysis of BAW CRFs is presented using the proposed models as an enabling tool to guide the analytical procedure. The analysis of those filters facilitates a better understanding of their performance and a way to establish the limits on the responses that they can provide. Systematic filter design methodologies are presented in order to obtain the structure geometries and topologies of BAW filters to fulfill prescribed responses in such a way that fully time-consuming and sometimes not very controlled optimization-oriented procedures are avoided. The design of the filter from a clear understanding of its performances facilitates the exploitation of its inherent characteristics. Advanced responses with transmission zeros or stopband filters coming from new devices are synthesized by means of the proposed methodologies.