19.3 GHz Acoustic Filter with High Close-in Rejection in Tri-layer Thin-Film Lithium Niobate

Resumo Técnico: Filtro Acústico de 19,3 GHz com Alta Rejeição Próxima em Niobato de Lítio de Camada Tripla

Definição do Problema
À medida que a comunicação sem fio evolui para o 5G e 6G, a necessidade de estender as tecnologias de filtros acústicos para a Faixa de Frequência 3 (FR3, 7–24 GHz) torna-se crítica. No entanto, escalar filtros acústicos convencionais além de 10 GHz apresenta desafios significativos, incluindo o aumento da perda de inserção (IL) e a degradação da rejeição fora da banda (OoB). Embora inovações recentes em ressonadores acústicos de volume lateralmente excitados (XBARs) de niobato de lítio piezoelétrico periodicamente polarizado (P3F) tenham demonstrado desempenho de baixa perda acima de 10 GHz, os protótipos existentes concentraram-se primordialmente na minimização da IL. Consequentemente, há uma carência de filtros de alta rejeição nesta faixa de frequência, particularmente no que diz respeito à rejeição próxima (close-in rejection), que é essencial para aplicações como diplexadores. Esta limitação decorre da dificuldade de fabricação em definir precisamente as ressonâncias em múltiplos ressonadores para introduzir os zeros e polos de transmissão necessários.

Metodologia
Para enfrentar esses desafios, os autores projetaram e fabricaram um filtro de escada de quinta ordem utilizando um filme de niobato de lítio (LN) de corte 128° Y em três camadas sobre um substrato de safira. O dispositivo utiliza uma estrutura P3F onde as camadas adjacentes possuem polarizações opostas, permitindo a excitação de modos Lamb de ordem superior.

A metodologia central envolve uma abordagem inovadora de design de filtro que aproveita o comportamento multimodo intrínseco da pilha P3F:

• Design Estrutural: O filtro emprega uma topologia de escada do tipo Π. Para alcançar o deslocamento de frequência entre os ressonadores em série e em derivação (shunt), os autores utilizaram o corte (trimming) local de LN da camada superior. Os ressonadores em série foram fabricados com uma espessura de LN de 260 nm, enquanto os ressonadores em derivação mantiveram uma espessura de 310 nm.
• Engenharia de Modos: Em uma pilha P3F tri-camada uniforme, o modo antissimétrico de terceira ordem (A3) é predominantemente excitado. No entanto, ao afinar a camada superior de LN para os ressonadores em série, a simetria é quebrada. Esta modificação aumenta intencionalmente o acoplamento de modos simétricos adjacentes (S2 e S4), que são tipicamente suprimidos.
• Simulação e Modelagem: As células unitárias dos ressonadores foram simuladas usando COMSOL para extrair parâmetros, que foram então ajustados a um modelo Butterworth-Van-Dyke modificado de múltiplos ramos (mBVD). Esses parâmetros foram importados para o Keysight Advanced Design System (ADS) para otimizar o filtro para uma banda passante alvo abaixo de 30 GHz.
• Fabricação: O dispositivo foi fabricado utilizando litografia de feixe de elétrons (EBL) para eletrodos de alumínio de 300 nm com larguras de 800 nm para suprimir modos espúrios. As linhas de barramento (buslines) foram espessadas para reduzir a resistência de roteamento.

Principais Contribuições
A principal contribuição deste trabalho é a demonstração de alta rejeição próxima em um filtro acústico operando a 19,3 GHz sem a necessidade de ressonadores adicionais ou topologias complexas.

• Utilização de Modos Adjacentes: O artigo demonstra que os modos S2 e S4, naturalmente excitados devido aos desajustes de espessura de camada na pilha P3F, podem ser aproveitados para criar zeros de transmissão adjacentes à banda passante.
• Inversão de Fase: Esses modos adjacentes invertem a fase dos ressonadores próximos à banda passante principal, criando um desempenho de banda de rejeição que aumenta significamente a rejeição OoB em um filtro de 5ª ordem moderado.
• Primeiro Filtro P3F Tri-camada a 19,3 GHz: Este trabalho apresenta o primeiro filtro de LN P3F tri-camada relatado operando nesta faixa de frequência específica com tais métricas de desempenho.

Resultos
O filtro fabricado foi medido no ar usando um analisador de rede com um substrato de calibração GGB CS-5. Os resultados mostram:

• Frequência Central: 19,3 GHz.
• Perda de Inserção (IL): 2,2 dB.
• Largura de Banda Fracional (FBW): 8,5% (3-dB).
• Rejeição Próxima (Close-in Rejection): Uma rejeição notável de 49,9 dB foi medida no dobro do deslocamento da FBW de 3-dB a partir da frequência central.
• Mecanismo de Rejeição: A alta rejeição abaixo da banda passante (14,5–17 GHz) é atribuída a múltiplos zeros de transmissão formados pela ressonância em série (fs) do modo A3 de três ressonadores em derivação e pela ressonância paralela (fp) do modo S2 dos ressonadores em série. A rejeição acima da banda passante é menor, limitada principalmente pela ressonância fp do modo A3 de dois ressonadores em série.
• Footprint: O dispositivo ocupa uma área de 0,95 mm².

Significância e Alegações
Os autores alegam que estes resultados demonstram um forte potencial para integrar tais filtros em diplexadores FR3. Ao aproveitar o comportamento multimodo intrínseco da estrutura de LN P3F tri-camada e introduzir um ajuste preciso de espessura, o design alcança um forte comportamento de banda de rejeição adjacente à banda passante sem a necessidade de ressonadores adicionais. Isso oferece um caminho promissor para soluções compactas de diplexadores e multiplexadores de alta rejeição para futuros filtros de banda FR3.

O artigo reconhece limitações, observando que a abordagem proposta resulta em desempenho de rejeição reduzido em frequências distantes da banda passante. O trabalho futuro é identificado com foco na otimização da pilha de filme P3F para explorar modos adicionais (como o S4), investigar designs híbridos EM–acústicos e estudar efeitos de envelhecimento e oxidação de eletrodos.