Методи побудови та схемотехнічні рішення мікросмужкових смуго-пропускних фільтрів

Літвінцев С. М. Методи побудови та схемотехнічні рішення мікросмужкових смуго-пропускних фільтрів. — Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.13 «Радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій» (17 — Електроніка та телекомунікації). — Національний технічний університет Ук- раїни «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» МОН України, Київ, 2023. У дисертації вирішено актуальну науково-технічну задачу розвитку методів побудови та нові схемотехнічні рішення для смуго-пропускних фільтрів (СПФ), які використовуються в сучасних системах бездротового зв'язку. У першому розділі здійснено розширення функціональних можливостей матриці зв'язків шляхом її модифікації. Розглянуто приклади незастосовності матриці зв'язків, проведено аналіз резонатора прохідного типу, який є причиною зазначеної незастосовності, вирішено задачу модифікації матриці зв'язків, яка призводить до адекватних результатів розрахунку частотних характеристик і розширенню області застосувань матриці зв'язків. Детальний розгляд прохідного резонатора, включеного у чотирьохполюсник, показав, що здійснювана ним конфігурація зв'язку залежить від його структури. Це використано для відповідної модифікації матриці зв'язку, щоб та достовірно відображала частотні характеристики. Модифікація полягає у зміні знаків деяких елементів матриці зв'язків згідно зі встановленими в роботі правилами. Встановлені в роботі правила модифікації матриці зв'язків наведені на чисельних прикладах. Для перевірки змін в матриці зв'язків виготовлено відповідні фільтри, виміряні характеристики яких підтвердили запропоновані зміни. У другому розділі розглянуті СПФ із змішаними зв'язками між суміжними резонаторами. Проведено аналіз закономірностей розташування нулів передачі таких фільтрів, та взаємозв'язок між лінійною та звичайною формами подання змішаного зв'язку. Запропоновано метод синтезу таких фільтрів, заснований на використанні інвертора провідності для змішаного зв'язку. На відміну від звичайного зв'язку, змішаний зв'язок характеризується трьома, а не двома, характерними частотами: парною модою і непарною модою пов'язаних коливань, а також значенням частоти нуля передачи. Ці частоти можна визначити при слабкому зв'язку резонаторів. Оскільки змішаний коефіцієнт зв'язку у звичайній формі не може бути використаний в матриці зв'язків, тому для розрахунку частотних характеристик СПФ необхідно мати іншу форму представлення. Для цього використана лінійна форма подання коефіцієнт зв'язку на нормованій частоті. В такому випадку зявляється можливість використання матриці звязків для обрахунку параметрів смуго-пропускного фільтру у випадку, коли в нього використано змішаний зв'язок. В роботі запропоновано ефективний метод синтезу фільтрів зі змішаними зв'язками між суміжними резонаторами. Метод базується на відомій техніці використання інверторів провідності, схеми яких тепер містять паралельні контури відповідно до змішаних зв'язків резонаторів. Результати ЕМ моделювання підтвердили працездатність процедури синтезу фільтрів. Встановлено взаємозв'язок між лінійною та звичайною формами представлення змішаного зв'язку. Вперше запропоновано метод аналітичного синтезу СПФ зі змішаними зв'язками між суміжними резонаторами, заснований на використанні інверторів провідностей для змішаного зв'язку. При цьому досягнуто рівень селективності фільтра, що відповідає більш складним структурам без ускладнення конструкції фільтра. У третьому розділі розглянуто фільтри з зосереджено-розподіленими зв'язками, широкою смугою загородження та підвищеною односторонньою вибірковістю. Запропоновано два методи збільшення смуги загородження в гребінчастих та решітчастих фільтрах. Оскільки основу гребінчастих смуго-пропускних фільтрів складають зв'язані між собою чвертьхвильові резонатори, запропонований метод заснований на закономірності зміни антирезонансних частот, пов'язаній зі зміною координати підключення до чвертьхвильового резонатора. Базуючись на виразі вхідної провідності чвертьхвильового резонатора, визначено координати особових точок підключення до цього резонатора, використання яких призводить до придушення паразитних смуг пропускання в гребінчастому смуго-пропускному фільтрі. Окрім того зясовано, що використання однієї спеціальної координати підключення призводить до придушення не однієї, а кількох періодично розташованих резонансних частот чвертьхвильового резонатора. Таким чином, якщо у одному фільтрі використати декілька особливих координат точок підключення, то в цьому випадку можливо досягти значного розширення смуги загородження в гребінчастому смуго-пропускному фільтрі. Аналогічний метод розширення смуги загородження розлоблено для гребінчастого смуго-пропускного фільтру, який будується на основі напівхвильових резонаторів. У випадку гребінчастого фільтру використання однієї точки підключення з особливою координатою також призводить до придушення не тільки однієї паразитної резонансної частоти напівхвильового резонатора, а до одночасного придушення кількох періодично розташованих резонансних частот напівхвильового резонатора, закон розподілу яких також визначено і запропоновано автором. Оскільки сьогодні на ринку з'явилася велика кількість малогабарітних пасивних компонентів (ємності, індуктивності) з високою добротністю для використання в пристроях надвисоких частот, то одночасте використання мікросмужкових резонаторів і малогабаритних зосереджених елементів призводить до по- яви нового виду звязків в смуго-пропускних фільтрах, який можна назвати зосереджено-розподіленим. Тому необхідні методи, за допомогою яких можна обраховувати значення всіх елементів, що входять у смуго-пропускний фільтр, що побудований на основі таких зосереджено-розподілених зв'язках. Автором запропонована методика, яка дозволяє обрахувати значення всіх елементів, за допомогою яких побудовано смуго-пропускний фільтр з зосереджено-розподіленими зв'язками. Таким чином, в даній роботі вирішена задача розширення смуги загородження в гребінчастих та решітчастих фільтрах за допомогою використання зосереджено-розподілених змішаних зв'язків між суміжними резонаторами, та нового методу розрахунку, заснованого на траєкторіях зміщення антирезонансних частот використаних резонаторів. Перевірка методу розширення смуги загородження по траєкторіях зміщення частот проведена по результатам вимірювання параметрів фільтра, створеного за запропонованим методом. Отримано розширення смуги загородження більше ніж в три рази. Процес проектування представлено у вигляді алгоритму, що уніфікує даний процес для розробника. У четвертому розділі розглядається можливість розширення функціональних можливостей багатомодових резонаторів та фільтрів. Проведено аналіз двомодових планарних резонаторів з розімкненими та короткозамкнутими кінцями на основі ступінчастих ліній, експериментально досліджено двомодові смугопропускні фільтри. Існуючі двомодові резонатори на основі T-з'єднання обмежені функціонально, оскільки в них використовуються однорідні відрізки ліній. В роботі запропоновано замінити ці відрізки, відрізками ступінчастих ліній, та визначити потенційні можливості нових утворених двомодових резонаторів планарної конструкції. В роботі розглянуто двомодові резонатори при різних способах їх включення. Спочатку вирішена задача синтезу конструктивних елементів двомодових резонаторів із розімкненими кінцями та вивчено їх властивості. Потім синтезовано конструктивні елементи двомодових резонаторів із короткозамкненими кінцями, та досліджено їх властивості. Таким чином, в результаті розвитку теорії двомодових резонаторів, методом параметричного систезу отримано та досліджено чотири варіанти резонаторів, які мають властивості, корисні при побудові смуго-пропускних фільтрів. Ці резонатори мають покращенні функціональні можливості, а саме: збільшену в 1,4 рази смугу загородження, зменьшені в 1,3 рази розміри резонаторів при тих же значеннях резонансних частот, що і при використанні однорідних ліній передачі. Визначено основні показники двомодових планарних резонаторів із розімкненими і з усіма короткозамкненими кінцями на основі ступінчастих ліній. Виявлена та експериментально підтверджена нова властивість деяких двомодових резонаторів, яка полягає в одночасному існуванні двомодових та одномодових коливань, які чергуються між собою. Експеримент підтвердив розширення смуги загородження, яке склало 1,4 рази по відношенню до двомодового фільтру на однорідних лініях. При цьому ширина цієї смуги може змінюватися. Прототип фільтра з закороченими кінцями запрацював як фільтр з очікуваними характеристиками.Litvintsev S. M. Construction methods and circuit design solutions for microstrip bandpass filters. — Qualification manuscript. The dissertation for the scientific degree of candidate of engineering sciences in the speciality 05.12.13 — «Radio technical devices and means of telecommunications» (17 — Electronics and telecommunications). — National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute” Ministry of Education and Science of Ukraine, Kyiv, 2023. An actual scientific and engineering problem of developing construction methods and new circuit solutions for bandpass filters (BPF), which are used in modern wireless communication systems, are solved in this dissertation. The functional capabilities of the coupling matrix were expanded by modifying it in the first chapter. Examples of the inapplicability of the coupling matrix were considered. The analysis of the through-type resonator, which is the cause of the specified inapplicability, was carried out. The problem of coupling matrix modification was solved, which leads to correct frequency characteristics and expanding the application of coupling matrix. A detailed examination of the through-type resonator, included as the two-port network, showed that the coupling configuration depends on its structure. This is used to modify the coupling matrix accordingly so that it correctly determines the frequency characteristics. The modification consists in changing the signs of some elements of the coupling matrix according to the rules established in this work. The rules for the modification of the couping matrix established in this work are given using some examples. To check the modification in coupling matrix, appropriate filters were made. The measured characteristics of these filters confirmed the proposed changes. In the second chapter, BPFs with mixed coupling between adjacent resonators are considered. An analysis of the location of the transmission zeros of such filters and the relationship between the linear and conventional presentation forms of the mixed couping was carried out. The synthesis method of such filters based on the use of a conductivity inverter for mixed coupling is proposed. Unlike usual coupling, mixed coupling is characterized by three, not two, characteristic frequencies: an even mode and an odd mode of coupled oscillations, and frequency of transmission zero. These frequencies can be determined when the resonators are weakly connected. Since the mixed coupling coefficient in its usual form cannot be used in the coupling matrix, it is necessary to have another representation form to calculate the frequency characteristics of BPF. The linear form of the coupling coefficient at the normalized frequency was used. In this case, it becomes possible to use the coupling matrix to calculate the parameters of the band-pass filter in the case when it uses mixed couplings. An effective method of synthesizing filters with mixed couplings between adjacent resonators is proposed in this work. The method is based on the well-known technique of using conductivity inverters, the circuits of which now contain parallel circuits according to the mixed couplings of resonators. The EM modeling results confirmed this filter synthesis procedure. The relationship between linear and conventional representation forms of mixed coupling is established. For the first time, a method for the analytical synthesis of BPF with mixed couplings between adjacent resonators. It is based on the use of conductivity inverters for mixed couplings. At the same time, the filter selectivity was achieved, which corresponds to more complex structures without complicating the filter design. In the third chapter, filters with lumped-distributed couplings, wide stopband and increased one-sided selectivity are considered. Two methods of increasing the stopband in combline and pseudocombline filters are proposed. Since the basis of combline BPFs are interconnected quarter-wave resonators, the proposed method is based on the regularity of the change of anti-resonance frequencies associated with the change of the connection coordinate to quarter-wave resonator. Based on the input conductivity expression of the quarter-wave resonator, the coordinates of the special connection points to this resonator are determined. The use of these points leads to the suppression of parasitic transmission bands in the combline bandpass filter. In addition, it was found that the use of one special connection point leads to the suppression of not one, but several periodically located resonance frequencies of the quarter-wave resonator. Thus, if several special coordinates of the connection points are used in one filter, then in this case it is possible to achieve a significant stopband expansion in a combline band-pass filter. A similar method of stopband expanding was developed for a pseudocombline band-pass filter, which is based on half-wave resonators. In the case of a pseudocombline, the use of one connection point with a special coordinate also leads to the suppression of not only one parasitic resonant frequency of the half-wave resonator, but to the simultaneous suppression of several periodically located resonant frequencies of the half-wave resonator. The distribution law of these frequensies is also determined and proposed by the author. Today a large number of small-sized passive components (capacitors, inductances) with a high Q-factor for use in ultra-high-frequency devices have appeared on the market. So, the simultaneous using of microstrip resonators and small-sized lumped elements leads to the appearance of a new type of connections in pass-band filters, which can be called lumped-distributed coupling. Therefore, methods, which help to calculate the values of all elements included in a band-pass filter, which is built on the basis of such lumped-distributed connections, are needed. The author proposed a technique that allows us to determine the value of all elements, which are used to construct a band-pass filter with lumped-distributed couplings. Thus, this work solves the problem of stopband expanding in combline and pseudocombline filters by using lumped-distributed mixed couplings between adjacent resonators, and a new calculation method based on the displacement trajectories of the anti-resonant frequencies of the used resonators. Verification of the method of stopband expanding based on the frequency shifts trajectories was carried out on the measuring results the parameters of the filter created according to the proposed method. We obtained the stopband expansion by more than three times. The design process is presented as algorithm that unifies this process for engineer. The fourth chapter considers the possibility of expanding the functional capabilities of multimode resonators and filters. An analysis of dual-mode planar resonators with open and short-circuited ends based on stepped lines was carried out. The dualmode band-pass filters were experimentally investigated. Existing dual-mode T-junction resonators are functionally limited because they use uniform transmission line segments. In this work, it is proposed to replace these segments with step-impedance resonators, and to determine the potential capabilities of these new formed dual-mode planar resonators. The paper considers dual-mode resonators with different ways of their connection. Firstly, the synthesis problem of structural elements of dual-mode resonators with open ends was solved and their properties were studied. Then, the structural elements of dual-mode resonators with short-circuited ends were synthesized, and their properties were investigated. As a result of the development of the theory of dual-mode resonators, by the method of parametric synthesis we propose and investigate four variants of resonators, which have properties useful in the design of band-pass filters. These resonators have improved functionality, namely: a stopband increased by 1.4 times, the dimensions of the resonators reduced by 1.3 times at the same values of resonant frequencies as when using uniform transmission lines. The main parameters of dual-mode planar resonators with open and all shortcircuited ends based on step-impedance resonators are determined. A new property of some dual-mode resonators, which consists in the simultaneous existence of alternating dual-mode and one-mode oscillations, was discovered and experimentally confirmed. The experiment confirmed the stopband expansion, which was 1.4 times compared to the dual-mode filter based on uniform lines. At the same time, the width of this band may vary. The prototype filter with shorted ends performed as a filter with the expected characteristics

High-Performance Reconfigurable Piezoelectric Resonators and Filters for RF Frontend Applications

A conventional RF frontend module consists of many filters where each filter is allocated for a specific frequency band. These filters are connected through multiplexing switch networks to support multi-band wireless standards. Using an individual filter for each frequency band increases the module size, power consumption and cost. Therefore, implementation of reconfigurable filters that can operate at different frequency bands while maintaining key RF performance requirements such as low insertion loss, good linearity and power handling is necessary for manufacturing of future RF frontends. Acoustic wave resonators based on piezoelectric devices such as Surface Acoustic Wave (SAW) and Bulk Acoustic Wave (BAW) are the most commonly used technologies to manufacture filters for RF applications. The objective of the research described in this thesis is to investigate the feasibility of tunable filter solutions using piezoelectric SAW resonators. A tunable SAW technology which can maintain required performance parameters and can be commercially manufactured will constitute a technological breakthrough in wireless communications. Thin-Film Piezoelectric on Substrate (TPoS) resonators, based on Aluminum Nitride (AlN) piezoelectric material which are fabricated using commercially available Silicon on Insulator (SOI) PiezoMUMPs process, have been demonstrated. By combining the superior acoustic properties of AlN and single crystalline silicon substrate, this class of resonators achieves ultra-high quality factor (Q) values in excess of 3600. A 3-pole bandpass filter using direct electrical coupling between the resonators has been presented and we have studied the performance of the fabricated filter over a temperature range from -196ºC up to +120ºC and under high power. For the first time, we have demonstrated the integration of switching elements, based on Vanadium Dioxide (VO2) phase change material, with Incredible-High-Performance SAW (IHP-SAW) technology which allows us to design and implement switchable and reconfigurable SAW resonators and filters for wireless applications. Switchable multi-band filters using VO2 switches strategically imbedded within the resonators of the filter have been demonstrated. A switchable dual-band filter with four switching states and two channels was presented using hybrid integration approach where discrete VO2 switches were fabricated separately and then integrated with the SAW resonators and filters using wire bonds. The fabricated 5-pole dual-band filter demonstrated good insertion loss in both transmission states but had inadequate performance in terms of isolation between the channels due to the limitations of the hybrid integration approach. Moreover, hybrid integration does not allow us to use more than a few switching elements and cannot be used for the implementation of higher order filters. To address these issues, we have demonstrated the monolithic integration of VO2 switches using an in-house fabrication process that allows us to fabricate VO2 switches and SAW resonators and filters on a single chip. A dual-band switchable higher order 7-pole filter with six monolithically integrated VO2 switches, three for each channel, was demonstrated. The monolithic integration allows the single-chip implementation of the proposed switchable dual-band filter with improved performance along with significant size reduction and ease of manufacturing, paving the path for commercialization of this technology. Novel reconfigurable SAW resonators and filters with tunable center frequency were also presented for the first time. Tuning of the center frequency between two different states was achieved by changing the configuration of interdigitated electrodes within the SAW resonator and by using a set of tuning electrodes and VO2 switches. In the first implementation, the VO2 switches were integrated over the electrodes and inside the active area of the SAW resonator. Each resonator consists of hundreds of tuning electrodes and for a reliable switching each resonator requires a number of heater elements which results in increased DC power consumption and total size. A second reconfigurable resonator with a modified structure and using a modified in-house fabrication process to include a second electrode layer was proposed to reduce the number of required VO2 switching elements for an even more compact implementation and ten times reduction in the required DC power consumption. Design, implementation, and measurement results for a 3-pole tunable SAW filter based on the proposed reconfigurable resonators have been presented. The filter’s center frequency is tuned from 733 MHz to 713 MHz while the insertion loss was maintained below 2.5 dB. The fabricated SAW resonators and filters also showed acceptable linear and high-power performance characteristics. This is the first time a single-chip implementation of a reconfigurable SAW filter with center frequency tuning and acceptable RF performance using monolithically integrated VO2 switches is ever reported. The single-chip implementation of the proposed SAW resonators and filters enables the development of future low-cost RF multi-band transceivers with improved performance and functionality