Nonlinear modeling and characterization of SAW devices for communications systems
Authors:   , González Rodríguez Marta 
Published: November 2023

(English) Nowadays, worldwide booming growth in mobile devices puts a lot of pressure on the mobile communications technologies since an enormous amount of requirements, mainly focused on delivering enhanced mobile broadband services to consumers, are needed. The ever-increasing data rate requirements and the support for wireless technologies, like 5th Generation (5G), set a lot of pressure to manufacturers in finding new solutions to face the coexistence and integration of several radio systems operating in the Radio-Frequency (RF) modules.

This scenario introduces a variety of challenges that have to be faced when using multi-band operation. One of them is to fight against the desensitization in the RF front-end due to the generation of spurious signals by the nonlinearity of passive components inside the handset. Passive InterModulation (PIM) is becoming a major concern in the design of RF transceivers where the transmitter and receiver share the antenna, since it can cause receiver blocking. PIM might arise from different components such as antennas, mixers, filters, etc. Among the components into the RF chain, the filtering stage is one of the critical components since apart from high selectivity and miniaturization, they also have to meet low PIM specifications and thus, becoming a challenging task
for RF designers.

To face these technological constraints, acoustic wave filters have been giving response to this need because of their outstanding performance, and have become a suitable solution for the emerging communications standards. Bulk Acoustic Wave (BAW) and Surface Acoustic Wave (SAW) are nowadays the main technologies, offering filtering structures with very low insertion losses and
good out-of-band rejection that are in compliance with current system specifications. Despite it seems clear that the acoustic technology shows major advantages, there are some drawbacks too. One of them is that both BAW and SAW resonators exhibit a nonlinear behavior giving place to Intermodulation (IMD) and Harmonic distortion (H). Accordingly, RF front-end high linearization demands may become an issue to be solved in the definition of new advanced services in future standards.

There has been a rise in interest in the modeling and simulation of the nonlinearities of SAW devices during the last two decades. Despite different approaches Finite Element Model (FEM), Coupling of Modes (COM) and P-Matrix had been widely used, there is a lack of consensus about the nonlinear generation driven by the difficulty to identify geometry-independent material parameters that could predict the nonlinear behavior of any resonator before manufacturing.

To this end, the thesis will be focused on the accurate nonlinear characterization of SAW devices. The modeling and simulation of
nonlinearities on SAW resonators will be the most important milestone of the thesis. Specifically, the development of fundamental circuit models to account for the nonlinear mechanism occurring in SAW resonators and, the implementation of mathematical techniques to synthesize circuital networks based on these models to reduce the computational time to improve the simulation and
modeling of these resonators.

The novelty of this thesis lies in the development of a characterization process for SAW resonators allowing to predict the behavior of new devices with other geometries. To be successful in this process, an equivalent nonlinear circuital model is proposed. The developed model is distributed and directly related to the the local constitutive equations of the piezoelectricity. Special efforts are
expended towards developing a new method of analysis for the simulation of both H and IMD generation in SAW resonators and filters. Several experimental verifications have shown that despite of its simplicity, the proposed model is extremely consistent and fast to simulate the linear and nonlinear response of different devices using only a geometry-independent nonlinear parameter.

(Español) Hoy en día, el crecimiento vertiginoso de los dispositivos móviles en todo el mundo y los requisitos cada vez mayores en las tasas de datos y el soporte de tecnologías inalámbricas, como la 5ª Generación (5G), ejercen una gran presión sobre los fabricantes en la búsqueda de nuevas soluciones para hacer frente a la coexistencia e integración de varios sistemas de radio que operan en los módulos de radio frecuencia (RF).
Este escenario presenta una variedad de desafíos que deben afrontarse cuando se utiliza la operación multi-banda. Uno de ellos es luchar contra la desensibilización en el front-end de RF debido a la generación de señales espurias por la no linealidad de los componentes pasivos del teléfono. La intermodulación pasiva (PIM) es una preocupación importante en el diseño de transceptores de RF donde el transmisor y el receptor comparten la antena, ya que puede provocar el bloqueo del receptor. PIM puede surgir de diferentes componentes como antenas, mezcladores, filtros, etc. Entre ellos, la etapa de filtrado es uno de los componentes críticos ya que, además de una alta selectividad y miniaturización, también deben cumplir con especificaciones PIM bajas y, por lo tanto, se convierten en una tarea desafiante para los diseñadores de RF.
Para hacer frente a estas limitaciones tecnológicas, los filtros de ondas acústicas se han convertido en una solución adecuada a los nuevos estándares de comunicaciones. Bulk Acoustic Wave (BAW) y Surface Acoustic Wave (SAW) son hoy en día las principales tecnologías, que ofrecen filtros con pérdidas de inserción muy bajas y buen rechazo fuera de banda que cumplen con las especificaciones requeridas. Aunque la tecnología acústica presenta grandes ventajas, también presenta algunos inconvenientes. Uno de ellos es que tanto los resonadores BAW como SAW exhiben un comportamiento no lineal dando lugar a Intermodulación (IMD) y Distorsión Armónica (H). En consecuencia, las demandas de alta linealización de front-end de RF se convierten en un problema a resolver en la definición de nuevos servicios avanzados para futuros estándares.
Durante las últimas décadas, ha habido un aumento en el interés por el modelado y la simulación de las no linealidades de los dispositivos SAW. A pesar de que se han utilizado diferentes enfoques como, por ejemplo, el modelo de elementos finitos (FEM), el acoplamiento de modos (COM) y la matriz P, existe una falta de consenso sobre la generación no lineal impulsada por la dificultad de identificar parámetros de materiales independientes de la geometría que podrían predecir el comportamiento no lineal de cualquier resonador antes de su fabricación.
Con este fin, la tesis se centrará en la caracterización no lineal de dispositivos SAW. El modelado y simulación de no linealidades en resonadores SAW será el hito más importante de la tesis. Específicamente, el desarrollo de modelos de circuitos fundamentales para considerar el mecanismo no lineal que ocurre en los resonadores SAW y a su vez, la implementación de técnicas matemáticas para sintetizar redes de circuitos basadas en estos modelos para reducir el tiempo computacional y mejorar aún más la simulación y el modelado de estos resonadores.
La novedad de esta tesis radica en el desarrollo de un proceso de caracterización de resonadores SAW independiente de la geometría. Para tener éxito en este proceso, se propone un modelo circuital no lineal equivalente. El modelo desarrollado es distribuido y directamente relacionado con las ecuaciones constitutivas locales de la piezoelectricidad. Se realizan esfuerzos especiales para desarrollar un nuevo método de análisis para la simulación de la generación de H e IMD en resonadores y filtros SAW. Varias verificaciones experimentales han demostrado que, a pesar de su simplicidad, el modelo propuesto es extremadamente consistente y rápido para simular la respuesta lineal y no lineal de diferentes dispositivos utilizando solo un parámetro no lineal independiente de la geometría.