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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.
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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)
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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.
MOTS-CLÉS
filtres à ondes élastiques de volume schéma équivalent de Butterworth-Van Dyke modèle de Mason simulations par éléments finis
KEYWORDS
bulk acoustic wave filters | Butterworth-Van Dyke equivalent circuit | Mason's model | finite element simulations
VERSIONS
- Version archivée 1 de mars 1983 par Eugène DIEULESAINT, Daniel ROYER
- Version archivée 2 de févr. 2001 par Eugène DIEULESAINT, Daniel ROYER
DOI (Digital Object Identifier)
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3. Dimensionnement de résonateurs
Dans la pratique, un résonateur à ondes de volume n’est pas constitué d’une unique couche piézoélectrique pourvue de métallisations infiniment fines. Comme illustré figure 10, il lui est adjoint des électrodes métalliques d’épaisseurs finies, des revêtements de protection contre l’environnement, ainsi que tout un ensemble de couches additionnelles destinées à individualiser les fréquences de certains résonateurs par rapport à d’autres. Par ailleurs, le résonateur devant être isolé acoustiquement du substrat sur lequel il est réalisé, des structures spécifiques sont formées à cet effet. Ceci permet la distinction entre deux types de résonateurs à ondes de volume : les résonateurs sur membranes (appelés Film Bulk Acoustic Resonator, ou FBAR) (figure 10 a) et les résonateurs sur miroirs de Bragg (appelés Solidly Mounted Resonator, ou SMR) (figure 10 b). Les premiers utilisent une cavité évidée formée sous le résonateur afin de confiner les ondes élastiques à l’intérieur de ce dernier. Pour le second, un miroir de Bragg composé d’une alternance de couches possédant un contraste d’impédances acoustiques est réalisé sous les résonateurs et assure une réflexion des ondes proche de celle fournie par une interface délimitée par de l’air.
Le dimensionnement d’un résonateur consiste alors à déterminer l’empilement de couches permettant d’obtenir un jeu de fréquences de résonance et d’antirésonance données, correspondant à celles déterminées lors de l’étape de synthèse du filtre en utilisant un circuit équivalent de type BVD. Pour cette étape, le concepteur s’appuie à la fois sur la connaissance de la technologie de fabrication employée qui définit la composition du résonateur (nature et gamme d’épaisseurs de la structure multicouches constituant le filtre) et sur la connaissance des propriétés électro-mécaniques des matériaux employés. À partir de cela, le concepteur doit être capable de calculer les champs électro-mécaniques susceptibles de se développer dans une structure de résonateur et ainsi d’en déterminer la réponse électrique. Ceci est l’objet...
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Dimensionnement de résonateurs
BIBLIOGRAPHIE
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(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).
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(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).
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(6) - GODET (S.), GRIBALDO (S.), TOURNIER...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
-
Standard on Piezoelectricity. - 176-ANSI/IEEE - 1987
ANNEXES
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).
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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).
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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).
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