Disseny de filtres passa banda en l'ordre dels GHz mitjançant acobladors ressonants

L’objectiu d’aquest projecte es basa en l’obtenció de filtres passa banda mitjançant acobladors ressonants en l’ordre dels GHz, amb un ampla de banda fraccional del 30%. En un primer disseny es presentarà l’estudi del coeficient d’acoblament entre partícules ressonants i tot seguit s’introduirà una capacitat interdigital per a augmentar l’acoblament. Mitjançant el nou disseny es demostrarà que es pot arribar a resultats òptims tant en simulacions com a l’hora de fabricar el dispositiu.

Extracción de parámetros de un resonador FBAR por optimización

L’objectiu d’aquest projecte que consisteix a elaborar un algoritme d’optimització que permeti, mitjançant un ajust de dades per mínims quadrats, la extracció dels paràmetres del circuit equivalent que composen el model teòric d’un ressonador FBAR, a partir de les mesures dels paràmetres S. Per a dur a terme aquest treball, es desenvolupa en primer lloc tota la teoria necessària de ressonadors FBAR. Començant pel funcionament i l’estructura, i mostrant especial interès en el modelat d’aquests ressonadors mitjançant els models de Mason, Butterworth Van-Dyke i BVD Modificat. En segon terme, s’estudia la teoria sobre optimització i programació No-Lineal. Un cop s’ha exposat la teoria, es procedeix a la descripció de l’algoritme implementat. Aquest algoritme utilitza una estratègia de múltiples passos que agilitzen l'extracció dels paràmetres del ressonador.

Diseño de filtros con topología apilada mediante resonadores FBAR

Els continguts de la memòria es divideixen en dues parts fonamentals, precedides d’una breu explicació on s’introdueix al lector en el tema; primer s’exposen les bases d’un ressonador simple FBAR, d’on s’obtenen equacions de control vitals, i seguidament es plantegen les bases per a un ressonador apilat SCR, derivades de l’estudi previ d’un ressonador simple. La primera part fonamental del treball es centra en l’anàlisi d’un ressonador SCR. Aquest anàlisi es recolza sobre el punt de vista teòric dels paràmetres imatge, el nostre punt de sortida. Aquesta primera part és la més teòrica: obtenció i aplicació dels paràmetres imatge i obtenció dels elements discrets que conformen el circuit equivalent SCR, una xarxa de dos ports. Posteriorment, s’analitza què succeeix modificant els valors dels elements discrets sense variar determinats paràmetres imatge i finalment, es proposa una aproximació per a controlar determinades especificacions de disseny, com són l’ample de banda de transmissió de la xarxa i el factor de qualitat, en funció de les modificacions dels elements discrets. En la segona part s’analitzen, de forma qualitativa, xarxes compostes per diferents ressonadors apilats connectats en cascada. Aquest segon estudi es divideix en dues subparts. En la primera connectem N ressonadors idèntics, plantegem algunes equacions de control i analitzem les respostes. En la segona, es planteja la connexió de dos (N=2) ressonadors diferents amb freqüències de ressonància properes. Aquest segon anàlisi es també totalment qualitatiu, però ens aporta informació que amb la unió de N ressonadors iguals no aconseguíem. Finalitzant aquesta segona part, es planteja l’optimització dels resultats obtinguts per a N=2, mitjançant estructures N=3 ressonadors.

Diseño e implementación de un divisor de potencia en banda dual con estructuras metamateriales basadas en CSRRs

L'electromagnetisme és una branca de la física que està en continu estudi. Fins a mitjans de la dècada dels 60 es pensava que, per a la propagació de les ones electromagnètiques fos possible, els medis propagatius havien de presentar una permitivitat dielèctrica i una permeabilitat magnètica simultàniament positives. No obstant, Victor G. Veselago va revolucionar la teoria electromagnètica amb la idea dels medis amb ε i μ negatives i va donar amb això origen als medis metamaterials. En el present treball s'estudiaran els principis físics en els que es fonamenten els metamaterials. Es veuran algunes de les seves característiques que els converteixen en medis exòtics i com aquestes poden ser utilitzades en el desenvolupament de dispositius amb prestacions difícils d'obtenir amb les tecnologies convencionals. A continuació s'aplicaran els conceptes tractats en el disseny d'un inversor d'impedàncies implementat mitjançant ressonadors en anells oberts complementaris. Aquest dispositiu, que presentarà un funcionament en banda dual, serà utilitzat en el posterior disseny d'un divisor de potencia. Finalment es realitzarà la implementació física del divisor de potencia dissenyat i es verificarà el seu correcte funcionament amb les mesures pertinents.

Metodología de diseño de filtros CRF/SCF basada en modelos de resonadores BAW acoplados acústicamente

La creixent utilització de sistemes de comunicacions mòbils ha impulsat la demanda de filtres passabanda miniaturitzats d'elevades prestacions operant en el rang de freqüències de microones. Els Film Bulk Acoustic Resonators (FBAR) estan esdevenint la principal alternativa als filtres basats en ressonadors Surface Acoustic Wave (SAW) o als basats en ressonadors ceràmics. Els Stacked Crystal Filters (SCF) i els Coupled Resonator Filters (CRF) són configuracions FBAR que permeten assolir una excel·lent atenuació en la banda de refús. Aquest treball presenta un innovador circuit equivalent elèctric que modela el CRF. Llavors, es desenvolupa una metodologia de síntesi de filtres per al SCF i per al CRF utilitzant els seus circuits equivalents elèctrics. La metodologia de disseny presentada permet obtenir les dimensions de l'estructura del filtre acústic partint de les especificacions del filtre i de les restriccions pròpies de la tecnologia. S'han implementat diferents respostes de Chebyshev per a sistemes de comunicacions reals per tal de validar el procediment de disseny dels filtres obtenint els resultats esperats.

Análisis y diseño de filtros apilados basados en resonadores acústicos

Durant els últims anys la demanda de filtres pas banda de ràdio freqüència, de reduïdes dimensions, lleugers i d'elevades prestacions destinats a sistemes de comunicacions inalàmbriques s'ha incrementat de forma significativa. Aquests sistemes principalment són els sistemes de telefonia mòbil de tercera generació UMTS y el sistema de navegació GPS. Els filtres actuals, basats en ressonadors SAW (Surface Acoustic Wave), tenen unes dimensions reduïdes però estan limitats en freqüència (3 GHz) i la seva tecnologia no és compatible amb les tecnologies estàndards de circuits integrats. Per aquestes raons s'espera que els filtres basats en ressonadors BAW (Bulk Acoustic Wave) substitueixin als SAW. Els dos tenen dimensions similars, però els filtres BAW poden funcionar a freqüències superiors a 3 GHz, poden treballar amb nivells de potència majors, i és important destacar el fet que la seva tecnologia és compatible amb les tecnologies estàndards de circuits integrats. La investigació en l'àmbit dels filtres BAW s'ha centrat en millorar els processos tecnològics i la qualitat dels materials, però s'ha treballat poc en l'adaptació de les tècniques sistemàtiques de disseny de filtres a les particularitats d'aquesta tecnologia, per tant el principal objectiu d'aquest treball és presentar mètodes sistemàtics per al disseny de filtres BAW, centrant-se en l'estudi d’estructures apilades.

Millora de la resposta electro-mecànica per a ressonadors d'alta freqüència basats en MEMS

Report for the scientific sojourn at the Department of Micro and Nanotechnology of the Technical University of Denmark from August until December 2006. The research was focused on designing and carrying out a technological process for fabricating high frequency resonators with dielectric solid transducer gaps.

Estudio de las capas de acoplamiento y alternativas al reflector de Bragg en estructuras BAW-CRF

Las capas de acoplamiento son un elemento clave en los dispositivos BAW CRF. El factor de acoplamiento K de estas capas permite el diseño de una determinada respuesta. Debido al limitado número de materiales con las que implementarlas, las soluciones que utilizan capas de λ/4 ofrecen un rango discreto de K. Por otra parte, el reflector de Bragg es un mecanismo de aislamiento mecánico entre el sustrato y la estructura BAW que está formado por capas alternas de alta y baja impedancia acústica de λ/4. El problema que presenta es la reducción del factor de calidad asociado a las pérdidas producida por las ondas shear. Este proyecto presenta un método para la obtención de un rango continuo de factores de acoplamiento y estudia la mejora del factor de calidad de las estructuras BAW con reflector de Bragg partiendo de dos materiales con alta y baja impedancia acústica.

Diseño de filtros de onda acústica basados en estructuras "half lattice"

En los últimos tiempos la telefonía móvil ha experimentado una reducción de los terminales gracias a la miniaturización de los filtros a frecuencias de microondas. Los filtros pasa banda más utilizados son los basados en la tecnología SAW, sin embargo son incompatibles con tecnologías de silicio y su comportamiento se degrada a frecuencias superiores de 3 GHz, por ello los estudios actuales se centran en la tecnología BAW. Las dos arquitecturas convencionales de filtros basados en resonadores BAW unidos eléctricamente son el ladder y lattice. Sin embargo, en este proyecto se estudiará la topología half lattice, la cual presenta un mejor comportamiento y unas dimensiones más reducidas. Para ello se obtendrán las ecuaciones de diseño del filtro, y con ellas se realizará la implementación a partir de la frecuencia central y el ancho de banda relativo.

Implementación de resonadores serie en derivación mediante stubs en derivación de salto de impedancia: análisis y limitaciones

En aquest projecte s'analitzen les limitacions de la implementació de ressonadors sèrie en derivació en tecnologia microstrip mitjançant un stub en derivació de salt d'impedància (SISS). L'esmentada estructura està composada per una línea d'alta impedància carregada amb una línea de baixa impedància acabada en circuit obert. El seu comportament en freqüència és equivalent al d'un ressonador sèrie en derivació sempre i quan les longituds de les seves línies siguin elèctricament petites. Sota aquestes condicions, bàsicament, la línia d'alta impedància sintetitza una inductància, mentre que la línia de baixa impedància una capacitat. La limitació en els valors mínim i màxim de la impedància característica que es poden implementar implica una limitació sobre la inductància i la capacitat que es poden sintetitzar mitjançant el SISS.

Estudio de parámetros circuitales de resonadores

El objetivo de este proyecto consiste en el estudio de los parámetros circuitales (condensadores, bobinas…) de un resonador, realizado con estructuras microstrip, donde permita obtener unos resultados de esos parámetros circuitales cambiando los valores físicos del diseño, tales como la longitud y la anchura del resonador a partir de las medidas de los parámetros S. Para llevar a cabo dicho trabajo, se desarrolla en primer lugar toda la teoría necesaria de resonadores. Empezando por el funcionamiento y la estructura del resonador diseñado, y mostrando especial interés en el modelado de dicho resonador. Seguidamente, se estudia y analiza su comportamiento a través de las simulaciones de los parámetros S. Una vez se ha estudiado y analizado su comportamiento, se procede con las modificaciones de los parámetros físicos y se analiza a través de las simulaciones de los parámetros S cómo afectan estas modificaciones en los parámetros circuitales. Donde se utilizan una serie de herramientas que agilizan la extracción de los valores de los parámetros circuitales del resonador.

Estudio y diseño de filtros pasobanda y en banda dual basados en resonadores microstrip open-loop acoplados

El proyecto está dedicado al estudio y diseño de filtros paso-banda y en banda dual con tecnología microstrip mediante estructuras resonantes de tipo open-loop. Se ha llevado a cabo el diseño de un filtro paso-banda con respuesta Chebyshev, un filtro pasobanda con ceros de transmisión y un filtro de banda dual para WCDMA y WiFi, empleado el método de diseño para filtros basados en resonadores inter-acoplados. Se presentan los modelos eléctricos de los filtros de RF simulados junto con sus respectivos layouts y se comparan las respuestas obtenidas de los dispositivos con las respuestas ideales. En el proyecto se realiza un estudio del comportamiento de los diferentes tipos de acoplamiento entre resonadores open-loop en función de la geometría de la estructura. Las tendencias de comportamiento de los acoplamientos permiten el diseño y colocación de los resonadores para satisfacer las especificaciones del filtro.

Desarrollo de tecnología Bulk Acoustic Wave

El creciente uso de dispositivos móviles y el gran avance en la mejora de las aplicaciones y sistemas inalámbricos ha impulsado la demanda de filtros paso banda miniaturizados, que trabajen a altas frecuencias y tengan unas prestaciones elevadas. Los filtros basados en resonadores Bulk Acoustic Wave (BAW) están siendo la mejor alternativa a los filtros Surface Acoustic Wave (SAW), ya que funcionan a frecuencias superiores, pueden trabajar a mayores niveles de potencia y son compatibles con la tecnología CMOS. El filtro en escalera, que utiliza resonadores BAW, es de momento la mejor opción, debido a su facilidad de diseño y su bajo coste de fabricación. Aunque el filtro con resonadores acoplados (CRF) presenta mejores prestaciones como mayor ancho de banda, menor tamaño y conversión de modos. El problema de este tipo de filtros reside en su complejidad de diseño y su elevado coste. Este trabajo lleva a cabo el diseño de un CRF a partir de unas especificaciones bastante estrictas, demostrando sus altas prestaciones a pesar de su mayor inconveniente: el coste de fabricación.

Thermal and back-action noises in dual-sphere gravitational-wave detectors

We study the sensitivity limits of a broadband gravitational-wave detector based on dual resonators such as nested spheres. We determine both the thermal and back-action noises when the resonators displacements are read out with an optomechanical sensor. We analyze the contributions of all mechanical modes, using a new method to deal with the force-displacement transfer functions in the intermediate frequency domain between the two gravitational-wave sensitive modes associated with each resonator. This method gives an accurate estimate of the mechanical response, together with an evaluation of the estimate error. We show that very high sensitivities can be reached on a wide frequency band for realistic parameters in the case of a dual-sphere detector.

General electromagnetic simulation tool to predict the microwave nonlinear response of planar, arbitrarily-shaped HTS structures

This work describes a simulation tool being developed at UPC to predict the microwave nonlinear behavior of planar superconducting structures with very few restrictions on the geometry of the planar layout. The software is intended to be applicable to most structures used in planar HTS circuits, including line, patch, and quasi-lumped microstrip resonators. The tool combines Method of Moments (MoM) algorithms for general electromagnetic simulation with Harmonic Balance algorithms to take into account the nonlinearities in the HTS material. The Method of Moments code is based on discretization of the Electric Field Integral Equation in Rao, Wilton and Glisson Basis Functions. The multilayer dyadic Green's function is used with Sommerfeld integral formulation. The Harmonic Balance algorithm has been adapted to this application where the nonlinearity is distributed and where compatibility with the MoM algorithm is required. Tests of the algorithm in TM010 disk resonators agree with closed-form equations for both the fundamental and third-order intermodulation currents. Simulations of hairpin resonators show good qualitative agreement with previously published results, but it is found that a finer meshing would be necessary to get correct quantitative results. Possible improvements are suggested.