Systematic Design Methodology for Acoustic Wave Filters Integrated in Multiplexers and Codesigned Modules

Abstract

El desplegament mundial de la tecnologia 5G i l’ús estès de xarxes sense fils han impulsat un creixement accelerat del nombre de bandes freqüencials requerides pels telèfons intel·ligents i altres dispositius mòbils. De manera simultània, per incrementar la velocitat de connexió, també s’incrementen la complexitat de l’esquema de modulació, el nombre d’antenes i el nombre de portadores agregades. Aquestes especificacions requereixen avenços en la tecnologia de filtres d’RF per assegurar la selecció de la portadora adequada i de tota la informació transmesa. Alhora, dispositius més petits son necessaris en un espai cada cop més reduït i han de suportar nivells de potència més elevats en un escenari d’alta integració.

Davant d’aquest desafiament, els ressonadors basats en tecnologia d’ona acústica han demostrat ser la solució que compleix amb els requeriments del mercat. El disseny d’un filtre d’ona acústica ha estat enfocat fins ara des de les tècniques d’optimització que requereixen un procés llarg i costós en termes de computació, una aproximació poc eficient des del punt de vista de la indústria. Però, eines de simulació basades en tècniques avançades de síntesi que consideren les restriccions tecnològiques han estat desenvolupades pel nostre grup en els darrers anys. Aquestes eines proporcionen solucions ràpides i precises com a primer pas per la posterior optimització de l’estructura.

El propòsit principal d’aquesta tesi és aconseguir les demandes actuals d’integració de múltiples filtres en un sol mòdul (un multiplexor) i també incloure amplificadors de potència per reduir la mida de les capçaleres d’RF dels dispositius mòbils. En el cas dels multiplexors, el concepte de les xarxes de mínima susceptància ha estat empleat introduint el control de la fase del coeficient de reflexió per classificar aquestes xarxes. Dos escenaris han estat analitzats en quan al pla de freqüències: fixe i flexible. Aquest darrer és un cas complex que es troba impulsat en el paradigma de l’agregació de portadores i els requeriments del mercat. La metodologia proposada garanteix el compliment de les restriccions tecnològiques i dels requeriments d’atenuació de cada canal.

En la part de la integració de filtres d’ona acústica en mòduls complets, aquesta tesi adreça la síntesi de filtres considerant impedàncies complexes a la càrrega i a la font. Aquesta proposta permet codissenyar filtres amb xarxes actives o passives permetent eliminar la tradicional etapa intermèdia d’adaptació d’impedàncies. El process de codisseny és il·lustrat amb amplificadors de potència i filtres analitzant les característiques de cara part per assegurar una alta eficiència i una alta potència de sortida en la banda. Alhora, una resposta de filtrat de Chebyshev s’obté en el dispositiu resultant.

De la mateixa manera, el control de la fase amb diversos objectius s’ha discutit en aquesta tesi. L’anàlisi teòric queda suportat per exemples simulats i prototips fabricats que demostren la validesa de la hipòtesi. Els resultats aconseguits es troben resumits al final de cada capítol.

La implementación de la tecnología 5G a nivel mundial y el extendido uso de conexiones inalámbricas han impulsado el incremento acelerado del número de bandas de radio frecuencia (RF) que deben ser soportadas por los teléfonos inteligentes y los dispositivos móviles. Al mismo tiempo aumenta la complejidad de los esquemas de modulación, el número de antenas y la cantidad de portadoras con el objetivo de aumentar la velocidad de conexión. Estas demandas requieren avances en la tecnología de filtros de RF que garanticen la selección correcta de cada portadora y la adquisicion íntegra de la información deseada. Sumamos además la necesidad de tener dispositivos cada vez más pequeños en un espacio cada vez más reducido y capaces de manejar mayores potencias en un escenario de alta integración.

En este contexto tan desafiante, los filtros basados en resonadores de tecnología microacústica han demostrado ser la solución para cubrir las necesidades del mercado. El diseño de filtros en esta tecnología ha estado dominado por técnicas de optimización que requieren un gran tiempo de procesado y un esfuerzo computacional no eficientes desde el punto de vista industrial. Sin embargo, herramientas de simulación basadas en métodos de síntesis avanzados que consideran los requerimientos propios de la tecnología han sido desarrollados en los últimos años en nuestro grupo de investigación con el objetivo de proporcionar una solución precisa y rápida que sirva de semilla para una posterior optimización.

Esta tesis persigue como objetivo dar respuesta a la tendencia actual de integración de múltiples filtros en módulos de RF que incluyen

amplificadores de potencia (PA) para disminuir la ocupación dentro de los smartphones. Durante el proceso de diseño de multiplexores he aplicado conceptos con fundamentos teóricos sólidos como las Redes de Mínima Susceptancia y he introducido el control de la fase en el proceso de síntesis como elemento clave en la clasificación de dichas redes de filtrado. Dos posibles escenarios fueron analizados según el plan de frecuencia: fijo y flexible. Este último escenario es especialmente complejo y constituye una demanda industrial reciente debido a la aparición de la tecnología de Carrier Aggregation. La metodología presentada garantiza la viabilidad tecnológica y el cumplimiento de las especificaciones para cada banda de frecuencia.

Como parte de la integración en módulos, esta tesis también incluye la síntesis de filtros acústicos con impedancia compleja a la entrada y/o salida. Esta propuesta permite el codiseño de filtros con elementos activos o pasivos para eliminar redes intermedias de adaptacion de impedancia. Se ilustra el proceso de codiseño de amplificadores de potencia y filtros en tecnología microacústica desde un punto de vista integrador para garantizar una alta eficiencia en la conversión de energía y potencias de salida estables en toda la banda de frecuencia. Simultáneamente, una respuesta de filtrado tipo Chebyshev es obtenida en el dispositivo final.

El control de la fase con diferentes objetivos es también abordado en este documento. Todos los análisis teóricos han sido acompañados de ejemplos simulados y prototipos fabricados que demuestran la ideoneidad de los planteamientos. Los resultados alcanzados han sido resumidos en cada capítulo.

The worldwide implementation of 5G technology and the extended use of wireless networks have boosted the fast-paced increase in the radio frequency bands number supported by smartphones and other mobile devices. Simultaneously, to increment the connection speed, the modulation scheme complexity, antenna number, and carrier aggregated are increasing. These specifications require advances in the RF filter technology to ensure the proper selection of each carrier and the full information acquisition. Additionally, smaller devices are needed for a shrinking space and also be able to handle higher powers in a highly integrated scenario.

In this challenging environment, resonators based on acoustic wave (AW) technology have demonstrated to be the solution for the market requirements. The AW filter design has been driven by optimization techniques that require a time-consuming process and computational efforts, being inefficient from the industry point of view. Nevertheless, simulation tools based on advanced synthesis techniques considering the technological accommodation have been developed in our research group in the last years. These tools provide precise and fast solutions as the first tier for a later optimization procedure.

The principal purpose of this thesis is to meet the current demands of integration of multiple filters in one RF module, namely multiplexers, and also including power amplifiers (PA) to reduce the device size inside the smartphones. For the multiplexers design, the Minimum Susceptance Networks (MSN) concept has been exploited, introducing the reflection coefficient phase control as a key element for this kind of network classification. Two probable scenarios were analyzed regarding the frequency plan: fixed and flexible. The latter is a complex case boosted by the advent of the Carrier Aggregation technology and the market requirements. The proposed methodology guarantees technological feasibility and mask specifications fulfillment for each channel.

As part of the AW filters module integration, this thesis addresses the synthesis considering complex source/load impedances. The proposal allows the co-design of filters with active or passive networks removing the common inter-stage matching network. It is illustrated the co-design process for power amplifiers and filters analyzing each part's features to ensure high efficiency and output power in the passband. Simultaneously, a Chebyshev filter response is obtained in the resulting device.

Moreover, the phase control with different purposes is also discussed in this document. The theoretical analysis has been supported by simulated examples and manufacturing prototypes that show the approach's pertinence. The achieving results have been summarized at each chapter's end.