Development of a new Chebyshev-based synthesis algorithm for acoustic wave filters

This thesis presents a complete design and optimization flow for ladder-type acoustic wave filters based on leaky surface acoustic wave (LSAW) resonators on lithium niobate (LN). Conventional acoustic filter synthesis produces ideal Chebyshev responses that often map to unrealizable resonator parameters when technology limits on electromechanical coupling, static capacitance, and die area are enforced. Building on generalized Chebyshev polynomial synthesis, an optimization algorithm is derived to extract a set of feasible resonators. The algorithm enforces electrical masks (center frequency, fractional bandwidth, insertion loss, out-of-band rejection) together with bounds on the electromechanical coupling coefficient (kt2) and static capacitance C0, and returns a consistent set of Butterworth-Van Dyke (BVD) parameters for each resonator. To bridge circuit synthesis and physical implementation, COMSOL® finite-element simulations are used to tabulate kt2 and resonance frequency versus wavelength and fingers coverage for LSAW devices on X-cut LN with gold interdigital transducers IDTs. These lookup tables, combined with coplanar capacitance models, enable automatic mapping from BVD parameters to device geometry and, ultimately, to layout generation. Finally, a leaky SAW filter and standalone resonators are fabricated on an 8-inch LN wafer and characterized using scattering parameters measurements. A series resonator with f0 = 434 MHz, Q-factor = 580, and kt2 = 37% is demonstrated. However, optical inspection and S-parameter measurements of the fabricated filter reveal that lithography defects shorted the shunt resonator fingers, preventing proper filter operation.

Questa tesi presenta un processo di progettazione e ottimizzazione per filtri acustici basati su risonatori leaky surface acoustic wave (LSAW) su niobato di litio (LN). I metodi tradizionali di progettazione di filtri acustici spesso producono filtri ideali che vengono poi mappati in risonatori con parametri non realizzabili, quando sono imposti limiti tecnologici sul coefficiente di accoppiamento elettromeccanico, capacità statica, e area occupabile. Costruito sul metodo di sintesi tramite polinomi di Chebyshev, un algoritmo di ottimizzazione è stato derivato per estrarre un insieme di risonatori realizzabili. L’algoritmo garantisce il rispetto delle specifiche dettate dalla maschera del filtro (frequenza centrale, larghezza di banda, perdita di inserzione, attenuazione fuori banda) assieme a limiti sul coefficiente di accoppiamento elettromeccanico (kt2) e capacità statica C0, e restituisce un set consistente di parametri del modello di Butterworth-Van Dyke (BVD) per ogni risonatore. Per unire la sintesi del filtro con la sua implementazione fisica, simulazioni a elementi finiti via COMSOL® sono usate per tabulare kt2 e frequenza di risonanza (f0) in funzione della lunghezza d’onda e copertura dei transduttori interdigitati per dispositivi LSAW su X-cut LN con elettrodi in oro. Queste tabelle, combinate con il modello per il calcolo della capacità coplanare, garantiscono una mappatura automatica dai parametri BVD alla geometria del dispositivo e, infine, alla generazione della maschera del dispositivo. Infine, un filtro LSAW e dei risonatori sono stati fabbricati su un wafer LN di 8 pollici e caratterizzati misurando i parametri di scattering. Un risonatore serie con f0 = 434 MHz, fattore di qualità Q = 580, e kt2 = 37% è stato misurato. Tuttavia, le osservazioni al microscopio e le misure sui filtri hanno rivelato difetti dovuti al processo di fabbricazione che hanno cortocircuitato i risonatori shunt, impedendo il corretto funzionamento del filtro.