Dispositivi Saw per applicazioni wireless:principi di funzionamento, tecniche realizzative e applicazioni.

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Prefazione 
 
  
 
Il motivo fondamentale che mi ha spinto ad intraprendere questo lavoro è stato il 
desiderio di conoscere un settore poco noto per un ingegnere delle telecomunicazioni 
con un curriculum di studi classico. Tuttavia in ambito industriale la ricerca in 
microacustica rappresenta un settore chiave per le future evoluzioni delle 
radiocomunicazioni 
 
Finalità della tesi 
 
Lo scopo del seguente lavoro è di costituire un documento informativo sulla 
tecnologia dei dispositivi ad onda acustica di superficie, nell’ambito della 
collaborazione tra il Dipartimento di Ingegneria delle Telecomunicazioni e la ST 
Microelectronics. 
Questa finalità ha profondamente influenzato lo stile e la forma. La tesi è stata 
sviluppata, nell’intento non di realizzare un trattato rigoroso e dettagliato in  un 
settore così avanzato e profondamente interdisciplinare, ma   di esprimere i concetti 
fondamentali per poter meglio comprendere le caratteristiche, le applicazioni, le 
evoluzioni e le prospettive che solo tali elementi possono offrire. 
I dispositivi ad onda acustica di superficie (SAW) sono legati allo sviluppo delle 
tecnologie microelettroniche e per questo hanno avuto un’evoluzione rapidissima. 
Al giorno d’oggi ogni buon sistema di radiocomunicazione non può prescindere 
dall’utilizzare componenti così eccellenti. 
 
Organizzazione della tesi 
 
La  stesura della tesi rispetta la norma UNI ISO 7144. Il materiale, suddiviso in sette 
capitoli e due appendici, è stato organizzato come segue. 
  Il  primo capitolo, di carattere introduttivo, inizia con alcuni cenni storici. 
Ripercorrere le intuizioni e le idee che sono alla base dei dispositivi SAW è 
fondamentale per capire come conoscenze in settori molto distanti possano essersi 
incontrate. Successivamente si introducono i fenomeni fisici che rendono possibile la 
realizzazione di queste strutture e i modi ondosi che si possono propagare in un 
materiale cristallino. Il capitolo si conclude con la classificazione dei dispositivi 
SAW, mettendo in evidenza le caratteristiche di questi sistemi, rispetto agli altri.  
 Nel secondo capitolo si evidenziano le applicazioni dei dispositivi SAW, 
focalizzando l’attenzione sui filtri. La prima parte è costituita da una breve 
descrizione delle architetture dei sistemi di radiocomunicazione e mette in luce il 
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ruolo determinante e le funzioni svolte dai filtri SAW. Particolare attenzione è posta 
sui filtri sia dei ricevitori che dei trasmettitori  per le applicazioni wireless. 
 Con il terzo capitolo inizia la parte fondamentale della tesi. Esso descrive in 
dettaglio la struttura e le caratteristiche dei componenti dei filtri SAW. 
Le prestazioni di questi filtri dipendono da numerosi fattori oggetto di studio di 
discipline molto diverse dalle telecomunicazioni, come l’ingegneria dei materiali. 
Per questo motivo nel capitolo sono inseriti due paragrafi integrativi, uno sulla 
cristallografia e uno sui processi industriali che permettono la costruzione di cristalli. 
Queste parti non sono esaurienti, ma una loro trattazione approfondita esula 
completamente dagli scopi di questo lavoro. La loro conoscenza ha il solo fine di 
migliorare la comprensione dei parametri dei filtri SAW per il progetto di sistemi di 
telecomunicazione. 
 Il capitolo quarto descrive dettagliatamente le caratteristiche e le proprietà di 
questi filtri, cercando di fornire le conoscenze e gli strumenti per poter valutarne la 
qualità e le prestazioni dai data sheets resi disponibili dalle industrie. 
 I capitoli quinto e sesto entrano in dettaglio nel progetto dei filtri SAW. 
Il capitolo quinto introduce il circuito elettrico equivalente. In esso si descrivono  i 
parametri e le procedure per la corretta modellizzazione, simulazione, nonché 
l’inserimento ottimale di un filtro ad onda acustica di superficie in un circuito per le 
telecomunicazioni. Il capitolo sesto descrive il modello a risposta impulsiva e le più 
diffuse tecniche impiegate per modificare il comportamento in frequenza. 
In questo capitolo vengono prese in esame anche alcune strutture introdotte per 
migliorare le caratteristiche dei filtri, come i trasduttori multifase. 
 Il capitolo settimo evidenzia i limiti dei filtri SAW. La crescente saturazione 
delle bande impone la realizzazione di sistemi che operino a frequenze elevatissime. 
Quest’andamento ha imposto la costruzione di nuove tipologie di filtri che utilizzano 
strutture più complesse e onde caratterizzate da una maggiore velocità di 
propagazione.  Nel capitolo vengono trattate diverse tipologie di dispositivi che, per 
la maggior parte, sono ancora in fase di  studio. Particolare attenzione è rivolta alle 
loro caratteristiche, allo scopo di delineare i possibili sviluppi futuri. 
 Nell’appendice A sono riportate le classificazioni delle bande alle microonde;  
nell’appendice B   si prosegue con  il confronto tra  alcuni   filtri per applicazioni 
wireless attualmente in commercio.  
Il primo  è effettuato tra due filtri per il controllo remoto  ed il secondo  tra filtri a RF 
impiegati nel sistema GPS. 
 
 
Pisa,  luglio 2004 
 
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Ringraziamenti: 
 
Ai relatori per la loro guida,  in particolare al prof. Paolo Nepa per la 
saggezza con cui ha indirizzato le mie scelte e per i preziosi consigli. 
A tutti coloro che mi hanno sorretto in questi anni,  permettendomi di raggiungere 
questo obiettivo, in primo luogo i miei genitori e Veronica che mi ha aiutato e 
sopportato pazientemente, a tutti voi il mio profondo grazie 
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. 
 
Surface Acoustic Wave 
 
 
 
 
 
“… it is proposed to investigate the behaviour of waves upon the plane 
free surface of an infinite homogeneous isotropic elastic solid, their 
character being such that the disturbance is confined to a superficial 
region, of thick-ness comparable with the wavelength…”  
 
 
 
 
 Lord Rayleigh, 12 November 1885. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Introduzione 
 
I primi  sistemi a microonde utilizzavano solo guide d’onda, cavi coassiali e 
microstrisce. Dalla metà degli anni Settanta la dirompente tecnologia che è alla base 
dei circuiti integrati è stata introdotta dalle industrie anche nella produzione dei 
componenti alle microonde. 
Al giorno d’oggi i circuiti alle microonde sono diffusissimi e possono essere 
classificati in tre grandi categorie: 
  
1) Microwave Discrete Circuits (MDCs): i circuiti discreti alle micronde sono 
costituiti da elementi distinti connessi insieme con linee conduttive.  
 
2) Microwave Monolithic Integrated Circuits (MMICs): i circuiti monolitici 
integrati sono costituiti da un singolo cristallo di semiconduttore sul quale 
sono costruiti tutti gli elementi sia attivi che passivi, nonché le loro 
interconnessioni. 
 
3) Microwave Integrated Circuits (MICs): questi componenti sono costituiti 
dalla combinazione di elementi attivi e passivi che sono realizzati mediante 
successivi processi di diffusione su di un substrato di materiale 
semiconduttore. 
 
I MICs sono differenti dai MMICs perché caratterizzati da una  maggiore densità 
degli elementi. 
I MICs costituiti da elementi sviluppati su un semiconduttore, come l’arsenuro di 
gallio, sono chiamati circuiti integrati a film sottile, mentre i circuiti costituiti dalla 
combinazione di diverse strutture, a film e monolitici con anche elementi discreti, 
sono denominati circuiti ibridi integrati. Il loro impiego è molto diffuso nei sistemi 
elettronici a bassa potenza e nei sistemi militari. 
La possibilità di costruire dispositivi con la  tecnologia a film sottile e a sviluppo 
planare  ha  favorito lo studio e l’evoluzione dei sistemi ad onda acustica. Questi 
dispositivi sfruttano le proprietà piezoelettriche di alcuni materiali come il quarzo e il 
niobato di litio e i fenomeni di propagazione delle onde acustiche sulla  superficie dei  
cristalli. I filtri ad onda acustica di superficie (Surface Acoustic Wave Filters) sono 
dei dispositivi ibridi che sfruttano le proprietà delle onde meccaniche viaggianti sulla 
superficie dei materiali piezoelettrici. 
L’onda acustica di superficie viene eccitata dal campo elettrico indotto tra gli 
elementi di strutture metalliche periodiche . 
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I reticoli  metallici depositati sulla superficie dei substrati piezoelettrici convertono 
un’eccitazione armonica di tipo elettrico in un’onda acustica  che  si propaga  sulla 
superficie dei materiali. 
La combinazione di queste strutture consente la realizzazione di  filtri passivi, di 
elementi di ritardo e di risonatori molto stabili ad elevatissime frequenze. 
 
1.1    Cenni storici 
 
Per ripercorrere l’evoluzione delle conoscenze scientifiche all’origine dei dispositivi 
che sfruttano la  “Surface Acoustic Wave” (SAW) bisogna  risalire alla fine dell’800. 
Lord Rayleigh dimostrò il fenomeno delle vibrazioni elastiche sulla superficie di 
solidi, scoprendo  l’esistenza di onde acustiche di superficie  nel 1885 [1]; 
precedentemente i fratelli Curie (1880) avevano rivelato e dimostrato la 
piezoelettricità. Questi due fenomeni fisici sono alla base dei filtri a onda acustica  di 
superficie (SAW Filters). 
L’onda di Rayleigh,  in seguito così chiamata, fu osservata verso la fine del secolo 
come componente dei segnali sismici associati ai terremoti. 
Venne notato che i terremoti  sono percepiti a grande distanza perché ad essi sono 
associati tre tipi  distinti di tremori.  
I primi due corrispondono ai modi di propagazione all’interno di un volume: l’onda 
trasversale e quella longitudinale e il terzo,  percepito dopo qualche secondo, è 
associato alla propagazione di un movimento più lento  della superficie della crosta 
terrestre, appunto  un’ onda acustica superficiale.  
Quest’onda si propaga lungo la superficie di separazione del mezzo, attenuandosi 
fortemente con la profondità, mentre il movimento delle particelle avviene nel piano 
sagittale: il piano contenente la normale alla superficie e la direzione di propagazione. 
L’onda superficiale è più lenta rispetto alle altre due perturbazioni, ma ha un’intensità 
maggiore perché si propaga in due sole dimensioni. 
Queste restarono tuttavia solo osservazioni geologiche senza nessuna applicazione, 
bisognerà aspettare l’elettronica affinché  le onde di superficie vengano largamente 
studiate e inizino a essere applicate  ai dispositivi commerciali.  
Parallelamente allo sviluppo della microelettronica e al crescere delle prestazioni e 
dell’ occupazione di  frequenze sono apparsi  nuovi componenti, forse più strani, che 
sfruttano differenti fenomeni fisici. 
Alla fine degli anni ’60 è nata la microacustica, una nuova scienza basata sul 
connubio  della piezoelettricità e della microelettronica. Questa è stata una tra le 
principali tecnologie che ha permesso un notevole sviluppo dei segnali a banda larga. 
La piezoelettricità può essere sfruttata per generare un microscopico disturbo elettrico 
all’intero di un cristallo realizzando un risonatore al quarzo (SiO2). 
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Le prime applicazioni consistettero nel costruire oscillatori estremamente stabili e 
precisi in frequenza per essere utilizzati nelle trasmissioni radio in ambiente militare. 
Infatti i  militari hanno ispirato la ricerca iniziale e le prime applicazioni si ebbero 
nell’area dei  radar  a compressione di impulsi. 
In particolar modo furono studiate le vibrazioni associate a strutture a più livelli per 
la realizzazione di linee di ritardo dispersive per sonar e radar[2]. 
I primi tentativi per generare le onde di superficie utilizzarono strane configurazioni: 
a pettine e a cuneo. 
 
 
Fig. 1.1  Prime configurazioni per la generazione di onde di superficie.  
 
Queste due strutture sono solo le più efficienti, White [3]  ne distinse ben 24.  
In entrambe le configurazioni un piatto metallico eccita un’onda di volume che in 
seguito genera un’onda di Raylegh. 
Elemento cruciale e degno di nota è l’uso del materiale piezoelettrico, all’interno del 
quale i campi elettrici e elastici sono accoppiati. Infatti il mezzo ha un  notevole 
compito nel processo di trasduzione, convertendo il segnale elettrico in acustico e 
viceversa.     
La  prima realizzazione sperimentale di un dispositivo  che sfruttava le sole onde 
acustiche superficiali fu il trasduttore interdigitale  uniforme (Uniform Interdigital 
Trasducer IDT), inventato nel 1965  da Whyte and Voltmer [4]. 
L’IDT  è una struttura che può essere  fabbricata facilmente grazie alla fotolitografia, 
al contrario dei più complicati trasduttori a cuneo e a pettine. 
 
 
Fig. 1.2  IDT regolare introdotto all’ Università della California 
      da Voltmer e Whyte (1965).  
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Questo trasduttore è costituito da un substrato su cui sono depositati con tecnica 
fotolitografia dei “fingers” a distanza e lunghezza costante  che offrono un metodo 
riproducibile e semplice per generare delle vibrazioni sulla  superficie del cristallo. 
Tancrell nel 1969 [5] pubblicò i primi risultati di un dispositivo SAW con IDTs 
dispersivi, suggerendo di modificare la distanza  tra gli elettrodi.  
 
 
 
Fig. 1.3  IDTs dispersivi introdotti da Tancrell (1969). 
 
 
Queste due idee sono all’ origine dei moderni dispositivi a onda acustica superficiale.   
In conclusione la storia delle SAW può essere vista come l’esplorazione delle 
funzioni ottenibili dalle diverse strutture che si possono realizzare con uno stesso 
processo fabbricativo sulla superficie del substrato. 
In particolare l’uso della tecnologia planare ha reso possibile e straordinario il 
processo di evoluzione di questi dispositivi che continua tutt’oggi. 
Le strutture  elettroniche che sfruttano le onde superficiali hanno subito una rapida e 
veloce evoluzione, trovando  innumerevoli campi di applicazione. 
Ogni moderno ricevitore televisivo ha come minimo un filtro SAW, svariati sistemi 
di telecomunicazione, in particolare i collegamenti satellitari, sono fortemente 
dipendenti dalle elevate prestazioni di questi filtri; inoltre le  loro proprietà non 
lineari sono alla base dei moltiplicatori di frequenza. 
L’importanza dei SAW nella manipolazione dei segnali è dovuta a tre caratteristiche 
peculiari di questi dispositivi. 
La tecnologia delle SAW deriva dalla tecnica della microelettronica ed ha simili 
vantaggi: costi relativamente bassi, eccellente riproducibilità e robustezza sia 
meccanica che elettrica. In secondo luogo i dispositivi SAW funzionano in un 
intervallo di frequenze che è per la maggior parte di dispositivi ‘classici’ 
inaccessibile: tra le decine di MHz e i GHz. 
L’ultima prerogativa è la loro grande flessibilità di progettazione, ad esempio 
l’associazione della microacustica e della microelettronica rende possibile  la 
costruzione di dispositivi programmabili o  con funzioni di trasferimento determinate 
facilmente e realizzate con precisione disarmante.  
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Si può a ben ragione prevedere, anche se fare previsioni in questo settore è 
impossibile, che questa famiglia di dispositivi sarà la più  diffusa  del secolo appena 
iniziato. Basti pensare che stime non ufficiali prevedono per l’anno 2004 la 
produzione da parte delle  60 compagnie mondiali che producono filtri SAW di circa 
1000 milioni di dispositivi.