High-Frequency Characterization of SAW Interdigital Transducers for RF Filter Design

Abstract

This thesis is a study on how to determine the parameters of the surface acoustic wave (SAW) transmission line (TL) model of SAW interdigital transducer (IDT) accurately and experimentally. We investigate problems and limitations of variety parameter determination methods of the existing SAW TL model and present a new experimental characterization method that systematically determines the model parameters of the SAW TL model while reducing the uncertainty of parameter determination. In addition, we present a method to experimentally add temperature dependence to the existing SAW TL model parameters to predict the interference to adjacent bands due to the temperature dependence of the conventional SAW filter. For experimental characterization, test SAW resonators and RF filters of various structures were designed and fabricated on LiTaO3 piezoelectric substrate. For the test pattern, the capacitance was measured through an impedance analyzer to determine the IDT finger capacitance. Parameters related to acoustic waves are extracted iteratively using the poles and zeros of the S-parameters measured over a broad frequency range from 50MHz to 6GHz. Finally, the acoustic loss and leakage occurring in the SAW IDT are determined from the magnitude of the measured network parameter. To verify the validity of the model parameters determined by the proposed method, a test SAW filter operating at 2 GHz was fabricated. Comparing the measurement and simulation results, the bandwidth of the test filter was accurately predicted within 3 MHz and the insertion loss within 0.8dB. To predict the band-to-band interference of the SAW filter according to the temperature variations, the temperature-dependent characteristics of the SAW TL model parameters were modeled by Taylor series. To design a SAW filter that is robust against temperature changes, the skirt characteristics of a conventional SAW filter are improved by utilizing a new resonance-frequency modulation technique. The improved skirt characteristics provided an additional margin to prevent interference with adjacent bands caused by temperature variations. As a result, a SAW filter that is robust to temperature variations was designed using resonance frequency modulation technique. |본 논문은 SAW IDT(Interdigital Transducer)의 SAW(Surface Acoustic Wave) TL(Transmission Line) 모델의 파라미터를 정확하고 실험적으로 결정하는 방법에 대한 연구이다. 기존 SAW TL 모델의 다양한 매개변수 결정 방법의 문제점과 한계를 조사하고 매개변수 결정의 불확실성을 줄이면서 SAW TL 모델의 모델 매개변수를 체계적으로 결정하는 새로운 실험적 특성화 방법을 제시한다. 또한 기존 SAW 필터의 온도 의존성으로 인한 인접 대역의 간섭을 예측하기 위해 기존 SAW TL 모델 파라미터에 온도 의존성을 실험적으로 추가하는 방법을 제시한다. 실험적 특성화를 위해 다양한 구조의 테스트 SAW 공진기와 RF 필터를 설계하고 LiTaO3 압전 기판에 제작했습니다. 테스트 패턴은 IDT 핑거 커패시턴스를 결정하기 위해 임피던스 분석기를 통해 커패시턴스를 측정하였다. 50MHz ~ 6GHz의 넓은 주파수 범위에서 측정된 S-파라미터의 극점과 영점을 이용하여 음향파와 관련된 파라미터를 반복적으로 추출합니다. 마지막으로 SAW IDT에서 발생하는 음향 손실 및 누설은 측정된 네트워크 매개변수의 크기로부터 결정됩니다. 제안된 방법으로 결정된 모델 파라미터의 타당성을 검증하기 위해 2GHz에서 동작하는 테스트용 SAW 필터를 제작하였다. 측정 결과와 시뮬레이션 결과를 비교하면 테스트 필터의 대역폭은 3MHz 이내, 삽입 손실은 0.8dB 이내로 정확하게 예측되었다. 온도 변화에 따른 SAW 필터의 대역 간 간섭을 예측하기 위해 SAW TL 모델 파라미터의 온도 종속 특성을 Taylor 시리즈로 모델링했습니다. 온도 변화에 강한 SAW 필터를 설계하기 위해 새로운 공진 주파수 변조 기술을 활용하여 기존 SAW 필터의 스커트 특성을 개선했습니다. 개선된 스커트 특성은 온도 변화로 인한 인접한 밴드와의 간섭을 방지하기 위해 추가 마진을 제공했습니다. 그 결과 공진 주파수 변조 기법을 이용하여 온도 변화에 강한 SAW 필터를 설계하였다.