Synthesis of acoustic wave filters : ladder and transversal topologies : towards a practical implementation
Authors:   , Hueltes Escobar Alberto 
Published: October 2023

The meteoric growth of the mobile communication market for the last three decades has been strongly related with the evolution of the electroacoustic (EA) filter technology. With way over 5 billion cell phone users worldwide in 2017 and 5G standard in the horizon, the radiofrequency spectrum is becoming increasingly crowded whereas demand for mobile data has no expected limits in the short to medium term.

In this scenario, where a unique filter needs to be designed for each band of operation, requirements for advanced filtering solutions continue to grow as well as the average value of the RF solutions and the RF content per mobile device.

RF and microwave devices based on EA resonators such as Bulk Acoustic Wave (BAW) and Surface Acoustic Wave (SAW) filters overcame the limitations of the existent technologies back in the 1980’s thanks to its compatibility with the manufacturing process of standard Silicon Integrated Circuits (Si-IC).

Nowadays sophisticated RF Front-End (RFFE) Modules based on System-in-Package (SiP) are the key solution to integrate the increasing number of electronic parts - Power Amplifiers (PAs), Low Noise Amplifiers (LNAs) and switches - that accompanies acoustic filtering devices like filters, duplexers and multiplexers.

Even though the level of complexity and accuracy present on the current EA devices is extraordinary, the design procedures for acoustic filters are still based on the optimization of built-in performance parameters from behavior-based compact models of resonators and the success on this duty relies mostly on the expertise of the designers.

However due to the stringent technological constrains and the increasing complexity of the RFFE module architectures devoted to satisfy demanding specifications of the current and forthcoming communications standards, the challenging work of the designers is never getting easier.

The aim of this work is focused on providing valuable insights that might help to overcome some of the existent limitations in the design of EA filters. Wider bandwidths, prescribed inclusion of external elements or multiplexing features are taken into consideration. On one hand we show a synthesis formulation and an automated procedure to carry out the synthesis for current well-known topologies, i.e. ladder, taking into consideration realistic values and specifications. On the other hand, a synthesis formulation for novel topologies, named here transversal, is provided. Success of this novel topology will certainly help to guarantee the prevalence of EA filters in the future communication standards, along with the extension to other applications with more stringent requirements and different operating frequencies.
The first part of the work is devoted to explain the basic theory related to filter synthesis and its applicability to filters based on EA resonators.

Subsequent chapters elaborate the theory to explain the procedures followed to obtain both synthesis and their limitations. Finally, a Chapter devoted to study cases shows the results of applying the filter synthesis to real case scenarios.

El creixement meteòric del mercat de comunicacions mòbils durant les últimes tres dècades ha estat fortament relacionat amb l'evolució de la tecnologia de filtres electroacústics (EA). Amb més de 5 bilions d'usuaris de telefonia mòbil al món i amb implantació del 5G a l'horitzó, l'ocupació de l'espectre de radioelèctric és cada cop més gran, mentre que la demanda de dades mòbils no para de créixer exponencialment. En aquest escenari, on s'ha de dissenyar un filtre únic per a cada banda d'operacions, continuen creixent els requisits per a solucions de filtratge avançades, així com el valor mitjà de les solucions RF i el contingut de RF per dispositiu mòbil. Els filtres de radi i microones basats en ressonadors EA com Bulk Acoustic Wave (BAW) i Surface Acoustic Wave (SAW) filtren la superació de les limitacions de les tecnologies existents a la dècada de 1980 gràcies a la seva compatibilitat amb el procés de fabricació de circuits integrats de silici estàndard (Si -I C). Actualment, els sofisticats mòduls de front-end RF (RFFE) basats en System-in-Package (SiP) són la solució clau per integrar el nombre creixent de peces electròniques (amplificadors de potència (PA)), amplificadors de baix soroll (LNAs) i interruptors - que acompanya. dispositius de filtratge acústic com filtres, dúplex i multiplexors. Tot i que el nivell de complexitat i precisió presents als dispositius EA actuals és extraordinari, els procediments de disseny dels filtres acústics continuen basant-se en l’optimització de paràmetres de rendiment integrats a partir de models compactes de ressonadors basats en el comportament i l’èxit d’aquest servei es basa. principalment en l’experiència dels dissenyadors. No obstant això, a causa de les estrictes limitacions tecnològiques i la creixent complexitat de les arquitectures del mòdul RFFE dedicades a satisfer les especificacions exigents dels estàndards de comunicació actuals i propers, el treball desafiant dels dissenyadors no és mai fàcil. L'objectiu d'aquest treball està enfocat a proporcionar informació valuoses que puguin ajudar a superar algunes de les limitacions existents en el disseny de filtres EA. Es tenen en compte grans amplades de banda, la inclusió prescrita d’elements externs o les funcions de multiplexació. D’una banda mostrem una formulació de síntesi i un procediment automatitzat per realitzar la síntesi per a topologies conegudes actuals, és a dir, escala, tenint en compte valors i especificacions realistes. D'altra banda, es proporciona una formulació de síntesi per a noves topologies, anomenades aquí transversals. L’èxit d’aquesta nova topologia ajudarà sens dubte a garantir la prevalença de filtres EA en els futurs estàndards de comunicació, així com l’extensió a altres aplicacions amb requisits més estrictes i diferents freqüències de funcionament. La primera part del treball està dedicada a explicar la teoria bàsica relacionada amb la síntesi de filtres i la seva aplicabilitat als filtres basats en ressonadors EA. Capítols posteriors elaboren la teoria per explicar els procediments seguits per obtenir tant la síntesi com les seves limitacions. Finalment, un capítol dedicat a casos d’estudi mostra els resultats de l’aplicació de la síntesi del filtre a escenaris de casos reals.