Bulk Acoustic Wave Resonators and their Application to Microwave Devices

El crecimiento exponencial que han experimentado los sistemas de comunicaciones inalambricos actuales durante los ultimos anos, ha dado lugar a la necesidad de disponer dispositivos de microondas de tamano reducido y, a su vez, de altas prestaciones. El principal obstaculo con el que se encuentran los dispositivos basados en las tecnologias clasicas, es que dichas tecnologias no son compatibles con los procesos estandar de fabricacion de circuitos integrados (IC). En este sentido, dispositivos de microondas basados en resonadores acusticos, en concreto resonadores BAW, ofrecen una solucion a dicha limitacion ya que son compatibles con los procesos estandar de fabricacion de circuitos integrados. Por otro lado, dichos resonadores son excitados mediante una onda acustica cuya velocidad de propagacion es alrededor de cuatro o cinco ordenes de magnitud menor que las ondas electromagneticas, con lo que el tamano del dispositivo tambien sera menor en la misma proporcion. La motivacion de este trabajo viene dada por el escenario que se plantea. El documento esta basicamente dividido en dos grandes bloques. El primer bloque que consta de los capitulos 2, 3 y 4 esta dedicado al estudio de un resonador BAW. En primer lugar, el estudio se realiza para una estructura unidimensional, es decir, teniendo en cuenta que en el resonador solamente se propaga una onda acustica en la direccion longitudinal, con el objetivo de extraer los modelos circuitales que permiten la caracterizacion electrica de dicho resonador. Sin embargo, estos modelos no son capaces de predecir con exactitud el comportamiento electrico del resonador acustico ya que no contemplan efectos derivados de la propagacion de ondas laterales. Asi, la necesidad de incorporar una herramienta de simulacion 3D se hace necesaria. Mediante el simulador 3D, el resonador se puede caracterizar por completo, asi, el origen y las condiciones necesarias para la presencia de ondas laterales estacionarias pueden ser establecidas. La presencia de las ondas laterales generan efectos no deseados en la respuesta electrica del resonador basicamente en forma de degradacion del factor de calidad y de la constante de acoplo electromecanico efectiva. Asi pues, la mejora del comportamiento electrico del resonador se basa principalmente, en la minimizacion de la presencia de las ondas laterales no deseadas. Para ello se proponen dos soluciones diferentes: el apodizado y la inclusion de un anillo en el perimetro del electrodo superior. La primera solucion consiste en disenar el electrodo superior de manera que no existan caras paralelas. Con ello, los patrones de resonancia que se generan hacen que la onda deba viajar una distancia mayor con la correspondiente atenuacion debida a las perdidas del material. Sin embargo, aunque la amplitud de dichas ondas se ve claramente decrementada, el numero de patrones resonantes aumenta respecto al caso convencional, y tambien el numero de modos no deseados. Esto finalmente se traduce en una degradacion del factor de calidad del resonador. La segunda solucion consiste en forzar unas condiciones de contorno determinadas que hacen que las ondas laterales no puedan propagarse. Con esto, la respuesta del resonador aparece libre de modos no deseados con lo que el factor de calidad del resonador es mucho mayor que lo que se puede conseguir mediante el apodizado. El segundo gran bloque de este trabajo esta dedicado a la aplicacion de los resonadores acusticos al diseno de filtros. Este bloque se ha centrado basicamente en topologias en las que los resonadores acusticos estan conectados electricamente, y en particular en topologias tipo"ladder". Este tipo de filtros presenta una selectividad alta debido a la presencia de un par de ceros de transmision, pero a su vez un pobre rechazo fuera de banda debido al comportamiento capacitivo de dichos resonadores. Asi, en primer lugar se propone una metodologia de diseno con expresiones cerradas, en un primer lugar considerando negligible la presencia de los electrodos metalicos, y realizando alguna modificacion en el proceso de diseno para incluir dichos efectos. Por otro lado, con el objetivo de mejorar las prestaciones del filtro fuera de banda, se propone como solucion modificar los resonadores acusticos mediante la presencia de elementos reactivos (capacidades y bobinas) ya sea en serie o en paralelo. La modificacion de dichos resonadores se da principalmente en la posicion de las frecuencias de resonancia. Asi, si en una topologia ladder se incluyen resonadores modificados y no modificados, se genera un nuevo par de ceros de transmision en la respuesta que hacen que el rechazo fuera de banda sea mayor. El ultimo capitulo de este trabajo esta dedicado al diseno de un filtro con una respuesta en transmision que presenta dos bandas de paso. La topologia esta basada en la topologia ladder clasica con la diferencia que, en lugar de tener una celda elemental formada por un resonador serie y paralelo, se tiene una celda elemental formada por dos resonadores serie y dos paralelos. Con esto, una banda de transmision viene dada por la interaccion de un resonador serie y uno paralelo, mientras que la segunda banda se da por la interaccion del segundo par de resonadores. Con el metodo de diseno que se propone, cada una de las bandas puede ser disenada a la frecuencia que se desee. Finalmente, se muestra el diseno de un filtro dual para la aplicacion de GPS L1/L5 y Galileo E5a/E5b.