Article interactif

1 - CONCEPTION DE FILTRES À ONDES ÉLASTIQUES DE VOLUME

2 - SYNTHÈSE D’UNE FONCTION DE TRANSFERT

3 - DIMENSIONNEMENT DE RÉSONATEURS

4 - MODÉLISATION DU MODULE COMPLET

5 - OPTIMISATION DE RÉSONATEURS

6 - CONCLUSIONS

7 - GLOSSAIRE

8 - NOTATIONS ET SYMBOLES

Article de référence | Réf : E3210 v3

Composants radiofréquences à ondes élastiques de volume - Outils de simulation

Auteur(s) : Alexandre REINHARDT, Thierry LAROCHE

Relu et validé le 01 juin 2021

Pour explorer cet article
Télécharger l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !

Sommaire

Présentation

RÉSUMÉ

Les composants à ondes élastiques de volume sont utilisés principalement dans les modules multiplexeurs des terminaux de téléphonie mobile. Cet article décrit les outils de simulation développés pour en permettre une conception rapide et précise : des schémas équivalents, purement descriptifs, employés lors de la synthèse globale des circuits aux modèles acoustiques monodimensionnels permettant le dimensionnement de résonateurs, et leur couplage à des modèles électromagnétiques du module complet. Enfin, l’article ouvre les discussions vers des sujets plus complexes tels que la simulation tridimensionnelle de résonateurs ou la prise en compte du comportement non linéaire de ces composants.

Lire cet article issu d'une ressource documentaire complète, actualisée et validée par des comités scientifiques.

Lire l’article

ABSTRACT

Radiofrequency bulk elastic wave devices Simulation tools

Bulk acoustic wave devices are mostly employed in the multiplexer modules of modern mobile phones. This article describes the simulation tools developed to allow their fast and accurate prototyping: from purely descriptive equivalent circuits suitable for a global module synthesis, to one-dimensional acoustic models used to properly design resonators, both being coupled to electromagnetic simulations of the whole module. Eventually, the article opens the discussion towards more complex topics such as three-dimensional simulation of resonators or the incorporation of their non-linear behavior in design tools.

Auteur(s)

  • Alexandre REINHARDT : Ingénieur-Chercheur - Commissariat à l’Énergie Atomique et aux Energies Alternatives, - Laboratoire d’Électronique et des Technologies de l’Information, - Grenoble, France

  • Thierry LAROCHE : Directeur technique - Frec|n|sys, - Besançon, France

INTRODUCTION

Les filtres passe-bande utilisant des résonateurs à ondes élastiques sont devenus des éléments indispensables des systèmes de télécommunications mobiles. Le déploiement successif de quatre générations de systèmes de téléphonie mobile, et la préparation active de la cinquième génération (dite 5G) destinée à être déployée dès le début des années 2020, ont fait émerger de multiples bandes de fréquences afin d’assurer à la fois une compatibilité descendante avec les protocoles plus anciens, de répondre à la multiplication des applications, et de prendre en compte les disparités géographiques dans l’allocation du spectre radiofréquence. Ceci se traduit par l’inclusion de plusieurs dizaines de filtres passe-bande miniaturisés dans un unique terminal de téléphonie mobile, ainsi qu’une course à la performance : réaliser des modules duplexeurs, voire récemment jusqu’à quint- ou hexaplexeurs, afin de faire cohabiter jusqu’à six voies d’émission/réception opérant en simultané sur autant de bandes de fréquences tout en étant connectés à une même antenne. De tels modules doivent assurer une isolation de l’ordre de 50 à 60 dB entre ces différentes voies, tout en offrant des pertes d’insertion inférieures à 2 dB dans la bande passante de chaque voie, avec des zones de transition devenant de plus en plus étroites, requérant de ce fait des positionnements en fréquence extrêmement précis, de l’ordre de 0,1 % de la fréquence centrale. De plus, l’industrie des filtres radio-fréquences doit suivre le rythme imposé par les fabricants de téléphones mobiles et assurer un renouvellement de leurs produits sur des périodes de l’ordre de l’année.

Pour répondre à l’ensemble de ces contraintes, il a été nécessaire de développer des modèles de conception à la fois précis et rapides, permettant de minimiser les itérations entre conception et fabrication, et ainsi d’accélérer la mise sur le marché de nouveaux composants. Nous nous intéressons dans cet article uniquement à l’une des technologies de filtres à ondes élastiques : les filtres à ondes élastiques de volume, qui exploitent la propagation d’ondes à travers l’épaisseur d’empilements de couches sub-micrométriques. En effet, l’autre technologie de filtres à ondes élastiques employée, reposant sur la propagation d’ondes de surface sous des réseaux périodiques d’électrodes, présente un certain nombre de caractéristiques relativement distinctes des composants à ondes de volume et font donc l’objet d’un article dédié [E 3 211].

Nous suivons ici le flux de conception habituellement employé pour des filtres à ondes élastiques de volume. Une première partie traite de la synthèse d’une fonction de filtrage, respectant les spécifications imposées, à partir de pseudo-résonateurs fournissant une description purement mathématique de la réponse attendue par ces composants. Une seconde partie s’intéresse au dimensionnement de résonateurs en utilisant des modèles physiques et par conséquent prédictifs. Ces derniers se doivent d’être, de manière inhérente, multi-physiques, mêlant des aspects mécaniques liés à la propagation d’ondes élastiques et des aspects électriques liés à la fonctionnalité recherchée. Nous verrons également que le fait d’opérer dans une gamme de fréquence de l’ordre de 1,5 à 6 GHz impose de plus de prendre en compte les phénomènes de propagation électromagnétiques à l’échelle de la puce, si miniaturisée soit-elle, voire du module complet. Aussi abordons-nous comment les flux de conception intègrent un certain nombre de parasites liés uniquement à la géométrie des pistes métalliques employées ou au contraire tirent parti de ces phénomènes. Finalement, la course à l’augmentation des performances (réduction de pertes, augmentation de la linéarité…) nécessite, dans des phases de développement de la technologie, l’intégration d’effets a priori du second ordre, mais se révélant critiques à mesure que les spécifications sur les composants se font de plus en plus drastiques. Nous abordons donc dans une dernière partie des éléments tels que la prise en compte de la génération de modes de vibration indésirables ou de non-linéarités.

Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire et un tableau des notations et des symboles utilisés.

Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 92% à découvrir.

Pour explorer cet article
Téléchargez l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

KEYWORDS

bulk acoustic wave filters   |   Butterworth-Van Dyke equivalent circuit   |   Mason's model   |   finite element simulations

VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v3-e3210


Cet article fait partie de l’offre

Électronique

(232 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Un Parcours Pratique

Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS

Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 94% à découvrir.

Pour explorer cet article
Téléchargez l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

TEST DE VALIDATION ET CERTIFICATION CerT.I. :

Cet article vous permet de préparer une certification CerT.I.

Le test de validation des connaissances pour obtenir cette certification de Techniques de l’Ingénieur est disponible dans le module CerT.I.

Obtenez CerT.I., la certification
de Techniques de l’Ingénieur !
Acheter le module

Cet article fait partie de l’offre

Électronique

(232 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Un Parcours Pratique

Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS

Sommaire
Sommaire

BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - CADY (W.G.) -   The piezoelectric resonator.  -  Proc. I.R.E. vol. 10, p. 83-114 (1922).

  • (2) - ZVEREV (A.I.) -   Handbook of filter synthesis.  -  Wiley (1967).

  • (3) - JIN (H.), DONG (S.R.), LUO (J.K.), MILNE (W.I.) -   Generalised Butterworth-Van Dyke equivalent circuit for thin-film bulk acoustic resonator.  -  Electronics Letters, vol. 47, n° 7 (2011).

  • (4) - VAN DYKE (K.S.) -   The piezo-electric resonator and its equivalent network.  -  Proceedings of the Institute of Radio Engineers vol. 16, n° 6, p. 742-764 (1928).

  • (5) - LARSON (J.D.), BRADLEY (P.D.), WARTENBERG (S.), RUBY (R.C.) -   Modified Butterworth-Van Dyke circuit for FBAR resonators and automated measurement system.  -  Ultrasonics Symposium (2000).

  • (6) - GODET (S.), GRIBALDO (S.), TOURNIER...

NORMES

  • Standard on Piezoelectricity. - 176-ANSI/IEEE - 1987

ANNEXES

  1. 1 Brevets

    1 Brevets

    L. Espenschied – Electrical wave filter US 1795204 (1931).

    T. Inoe, Y. Myasaka – Piezoelectric composite thin film resonator US 4456850 (1982).

    R.C. Ruby, P.P. Merchant – Method of making tunable thin film acoustic resonators US 5873153 (1993).

    L. N. Dworsky, L. C. B. Mang – Frequency selective component and method EP 609555 (1993).

    R. F. Milsom – Bulk acoustic wave filter with optimized series and shunt resonator static capacitances US 6509814 (1995).

    M. Ylilammi – Method for tuning thin film fbars WO9815984 (1996).

    K. Misu, T. Nagatsuka, S. Wadaka – Thin film piezoelectric element WO9937023 (1998).

    J. D. Larson III, R.C. Ruby, P. Bradley – Bulk acoustic wave resonator with improved lateral mode suppression US 6215375 (1999).

    P. D. Bradley, J. D. Larson III, R. C. Ruby – Duplexer incorporating thin-film bulk acoustic resonators (FBARs) US 6262637 (1999).

    J. Kaitila, M. Ylilammi, J. Ellae – Resonator structure and a filter comprising such a resonator structure WO 200106646 (1999).

    M. L. Frank, J. D. Larson III – Integrated filter balun US 6542055 (2000).

    H. Heinze, P. Tikka, E. Schmidhammer – Bulk acoustic wave resonator WO 200762647 (2005).

    HAUT DE PAGE

    Cet article est réservé aux abonnés.
    Il vous reste 93% à découvrir.

    Pour explorer cet article
    Téléchargez l'extrait gratuit

    Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !


    L'expertise technique et scientifique de référence

    La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
    + de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
    De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

    Cet article fait partie de l’offre

    Électronique

    (232 articles en ce moment)

    Cette offre vous donne accès à :

    Une base complète d’articles

    Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

    Des services

    Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

    Un Parcours Pratique

    Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

    Doc & Quiz

    Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

    ABONNEZ-VOUS

    Sommaire

    QUIZ ET TEST DE VALIDATION PRÉSENTS DANS CET ARTICLE

    1/ Quiz d'entraînement

    Entraînez vous autant que vous le voulez avec les quiz d'entraînement.

    2/ Test de validation

    Lorsque vous êtes prêt, vous passez le test de validation. Vous avez deux passages possibles dans un laps de temps de 30 jours.

    Entre les deux essais, vous pouvez consulter l’article et réutiliser les quiz d'entraînement pour progresser. L’attestation vous est délivrée pour un score minimum de 70 %.


    L'expertise technique et scientifique de référence

    La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
    + de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
    De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

    Cet article fait partie de l’offre

    Électronique

    (232 articles en ce moment)

    Cette offre vous donne accès à :

    Une base complète d’articles

    Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

    Des services

    Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

    Un Parcours Pratique

    Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

    Doc & Quiz

    Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

    ABONNEZ-VOUS