Loss reduction in coupled resonance surface acoustic wave filters operating at GHz frequencies

dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.authorMeltaus, Johanna
dc.contributor.departmentDepartment of Engineering Physics and Mathematicsen
dc.contributor.departmentTeknillisen fysiikan ja matematiikan osastofi
dc.contributor.labOptics and Molecular Materialsen
dc.contributor.labOptiikka ja molekyylimateriaalitfi
dc.date.accessioned2012-02-24T07:52:47Z
dc.date.available2012-02-24T07:52:47Z
dc.date.issued2006-12-08
dc.description.abstractThis thesis discusses loss mechanisms in periodic and quasi-periodic leaky surface acoustic wave (LSAW) coupled resonator filters (CRFs) operating at GHz frequencies and methods to suppress those mechanisms. The work focuses on resistive losses in the interdigital transducer (IDT) electrodes, acoustic loss resulting from conversion of SAW to bulk acoustic waves (BAW) at discontinuities of periodicity, and filter topologies striving for minimizing these mechanisms. Furthermore, losses resulting from acoustic radiation from connecting electrodes (busbars) of IDTs on LSAW substrates are studied. Novel topologies for low-loss filters at 1-2 GHz frequencies presented in this work comprise (i) two different CRF tracks operating electrically in parallel, (ii) a 5-IDT longitudinal CRF with distributed gaps, and (iii) a double-resonance filter structure proposed here for the first time. In all of the devices, 42°-LiTaO3 is used as the piezoelectric substrate. The operation of the proposed devices is analyzed and their attainable performance is demonstrated with experimental results. Extremely low-loss filter performance with insertion loss on the order of 1 dB is obtained in 2 GHz range with all proposed topologies. In addition, principles and methods for design and simulation of CRFs is discussed in this thesis, and stochastic (global) optimization algorithms specifically suited for multi-element CRFs are proposed. Furthermore, non-synchronous resonator elements for use with CRFs on leaky substrates are considered, and the effect of contact pad topology on filter performance is discussed based on experimental results.en
dc.description.abstractTämä väitöstutkimus käsittelee 1-2 GHz:n taajuusalueella toimivissa periodisissa ja kvasiperiodisissa vuotaviin akustisiin pinta-aaltoihin (LSAW) perustuvissa, akustisesti pitkittäisesti kytketyissä suodattimissa (CRF) esiintyviä häviömekanismeja ja keinoja pienentää niistä johtuvaa vaimennusta suodattimen päästökaistalla. Tutkimuksen painopisteet ovat (i) sormimuuntimissa (IDT) esiintyvät resistiiviset häviöt, (ii) akustiset häviöt, jotka johtuvat pinta-aallon muuntumisesta tilavuusaalloksi kohdissa, joissa rakenteen periodisuus katkeaa, sekä (iii) suodatinrakenteet, joilla pyritään minimoimaan nämä häviöt. Edellämainittujen häviömekanismien lisäksi on tutkittu sormimuuntimien kytkentäelektrodeissa (busbar) tapahtuvasta akustisesta säteilystä aiheutuvia häviöitä. Tutkittuja akustisia suodatinrakenteita on mallinnettu käyttämällä kytkettyjen aaltomuotojen mallia (COM). Tässä työssä esitellään seuraavat 1-2 GHz:n taajuudella toimivat vähähäviöiset suodatinrakenteet: (i) suodatin, joka koostuu kahdesta rinnankytketystä, keskenään erilaisesta CRF-rakenteesta, (ii) akustisesti pitkittäisesti kytketty, viidestä IDT:stä koostuva suodatin, jossa on käytetty hajautettuja rakoja muuntimien välissä, ja (iii) täysin uudentyyppinen akustiseen kaksoisresonanssiin perustuva suodatinrakenne. Kaikissa tutkituissa rakenteissa pietsosähköisenä alustamateriaalina käytetään 42°-litiumtantalaattia. Kehitettyjen laitteiden toiminta analysoidaan ja niillä saavutettava suorituskyky todennetaan kokeellisin tuloksin. Kaikilla rakenteilla saavutetaan erittäin pienet häviöt, luokkaa 1 dB 2 GHz:n taajuudella. Erittäin vähähäviöisessä viiden IDT:n suotimessa väliinkytkentävaimennus on pienimmillään alle 1 dB, mikä merkitsee huomattavaa parannusta aiemmin raportoituihin vastaavantyyppisiin laitteisiin nähden. Tässä työssä ensimmäistä kertaa raportoitu kaksoisresonanssisuodatin antaa 1.6 GHz:n taajuudella vasteen, jonka suhteellinen kaistanleveys on 1-2% keskitaajuudesta ja väliinkytkentävaimennus päästökaistalla ∼ 1.1 dB. Työssä käsitellään myös CRF-suodattimien suunnittelussa ja mallintamisessa käytettyjä periaatteita ja menetelmiä sekä tässä työssä kehitettyjä CRF-suodattimien optimointiin erityisesti sopivia stokastisia (globaaleja) optimointimenetelmiä. Lisäksi tutkitaan epäsynkronisten resonaattorirakenteiden toimintaa LSAW-alustoilla ja kontaktimetalloinnin vaikutusta suodattimen toimintaan.fi
dc.description.versionrevieweden
dc.format.extent73, [40]
dc.format.mimetypeapplication/pdf
dc.identifier.isbn951-22-8517-7
dc.identifier.issn1795-4584
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/2797
dc.identifier.urnurn:nbn:fi:tkk-008555
dc.language.isoenen
dc.publisherHelsinki University of Technologyen
dc.publisherTeknillinen korkeakoulufi
dc.relation.haspartAdditional errata file available.en
dc.relation.haspartJ. Meltaus, V. P. Plessky, S. Härmä, and M. M. Salomaa, SAW Filter Based on Parallel-Connected CRFs with Offset Frequencies, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, accepted for publication. [article1.pdf] © 2006 IEEE. By permission.
dc.relation.haspartJ. Meltaus, V. P. Plessky, S. Härmä, and M. M. Salomaa, Low-Loss, Multimode 5-IDT SAW Filter, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control 52 (6), pp. 1013-1019 (2005). [article2.pdf] © 2005 IEEE. By permission.
dc.relation.haspartJ. Meltaus, P. Hämäläinen, and V. P. Plessky, Design of Coupled SAW Filters Using Genetic and Evolution Algorithms, Helsinki University of Technology Publications in Engineering Physics, Report TKK-F-A847 (2006). IEEE Transactions on Evolutionary Computation, submitted for publication. [article3.pdf] © 2006 by authors and © 2006 IEEE. By permission.
dc.relation.haspartJ. Meltaus, S. S. Hong, O. Holmgren, K. Kokkonen, and V. P. Plessky, Double-Resonance SAW Filters, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, accepted for publication. [article4.pdf] © 2006 IEEE. By permission.
dc.relation.haspartJ. Meltaus, S. S. Hong, and V. P. Plessky, Acoustic Radiation Losses in Busbars, Helsinki University of Technology Publications in Engineering Physics, Report TKK-F-A848 (2006). IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, submitted for publication. [article5.pdf] © 2006 by authors and © 2006 IEEE. By permission.
dc.relation.haspartJ. Meltaus, S. S. Hong, and V. P. Plessky, Non-Synchronous Resonators on Leaky Substrates, Proceedings of the 2005 IEEE International Ultrasonics Symposium, pp. 2153-2156 (2005). [article6.pdf] © 2005 IEEE. By permission.
dc.relation.ispartofseriesTKK dissertationsen
dc.relation.ispartofseries54en
dc.subject.keywordsurface acoustic wavesen
dc.subject.keywordbandpass filtersen
dc.subject.keywordleaky wavesen
dc.subject.keywordlossesen
dc.subject.keywordakustiset pinta-aallotfi
dc.subject.keywordradiotaajuussuodattimetfi
dc.subject.keywordhäviötfi
dc.subject.otherPhysicsen
dc.titleLoss reduction in coupled resonance surface acoustic wave filters operating at GHz frequenciesen
dc.titleHäviöiden pienentäminen kytkettyihin resonaattoreihin perustuvissa pinta-aaltosuodattimissa GHz-taajuuksillafi
dc.typeG5 Artikkeliväitöskirjafi
dc.type.dcmitypetexten
dc.type.ontasotVäitöskirja (artikkeli)fi
dc.type.ontasotDoctoral dissertation (article-based)en
local.aalto.digiauthask
local.aalto.digifolderAalto_68201
Files
Original bundle
Now showing 1 - 8 of 8
No Thumbnail Available
Name:
isbn9512285177.pdf
Size:
1.09 MB
Format:
Adobe Portable Document Format
No Thumbnail Available
Name:
errata.pdf
Size:
14.39 KB
Format:
Adobe Portable Document Format
No Thumbnail Available
Name:
article1.pdf
Size:
831.09 KB
Format:
Adobe Portable Document Format
No Thumbnail Available
Name:
article2.pdf
Size:
948.71 KB
Format:
Adobe Portable Document Format
No Thumbnail Available
Name:
article3.pdf
Size:
1.42 MB
Format:
Adobe Portable Document Format
No Thumbnail Available
Name:
article4.pdf
Size:
977.02 KB
Format:
Adobe Portable Document Format
No Thumbnail Available
Name:
article5.pdf
Size:
536.64 KB
Format:
Adobe Portable Document Format
No Thumbnail Available
Name:
article6.pdf
Size:
831.39 KB
Format:
Adobe Portable Document Format