Brevet FR2002668A1 — publié le 19691031

La présente invention se rapporte à un filtre passe-bande à cristal comprenant une ou plusieurs sections de filtre. Dans certains systèmes électroniques tels que les 5 systèmes de transmission téléphoniques par exemple, des filtres passe-bande sont requis pour sélectionner les signaux d'intelligence contenus a l'intérieur de bandes de fréquences étroites prédéterminées. Pour obtenir une sélectivité élevée, on incorpore avantageusement des cristaux piézoélectriques dans ces filtres passe-10 bande. Dans l'utilisation de tels filtres passe-bande à cristaux on a jusqu'à présent favorisé leur sélectivité sans tenir compte de l'allure plate de leurs caractéristiques dans les bandes passantes ni de l'atténuation relative entre les bandes passantes 15 et les régions du spectre situées en dehors des bandes passantes. Dans certains circuits de transmission il est cependant extrêmement important d'établir et maintenir une caractéristique d'atténuation plate dans les bandes passantes et des rapports d'atténuation prédéterminés entre les niveaux de transmission 20 dans les bandes passantes et les niveaux de transmission en dehors de ces bandes passantes. Toutefois, lès filtres passe-bande à cristaux connus à ce jour ne sont pas aptes à établir et à maintenir -es caractéristiques d'atténuation plates de cette nature. Ces désavantages sont surmontés selon l'invention 25 qui procure des sections de filtre qui comportent un cristal piézoélectrique et unerésistance combinés en série, et un atténuateur qui shunte directement cette combinaison série, la résistance ayant une valeur au moins plusieurs fois plus grande que celle de la résistance série du cristal afin de rendre sensiblement plate et cons-30 tante la caractéristique passe-bande du filtre, la caractéristique d'atténuation des atténuateurs shunt déterminant la différence d'atténuation entre la bande passante et les régions atténuées situées à l'extérieur de la bande passante, de telle sorte que le rapport d'atténuation entre la bande passante et les régions atté-35 nuées soit maintenu à un niveau sensiblement fixe, plat et constant. Selon un autre aspect de l'invention,le filtre oom-prend un transformateur différentiel comportant un enroulement primaire et un enroulement secondaire à prise médiane, au moins deux cristaux piézoélectriques et au moins deux résistances, x'enroule-40 ment primaire étant connecté à la paire de bornes d'entrée afin de 69 04582 2002668 recevoir un signal d'entrée appliqué au filtre passe-bande, la prise médiane étant connectée à l'une des bornes de sortie, chaque extrémité de l'enroulement secondaire étant connectée à l'autre borne de sortie par l'intermédiaire d'une combinaison série de l'un 5 des cristaux et de l'une des résistances, en sorte que les fréquences de résonance des cristaux déterminent la bande passante du filtre, chacune des résistances série ayant une valeur qui est au moins plusieurs fois plus grande que la résistance série du cristal connecté en série avec cette résistance afin de rendre sensiblement 10 constante la caractéristique de la bande passante du filtre, et deux atténuateurs, chacun d'eux shuntant directement l'une des combinaisons série résistance-cristal qui déterminent le rapport d'atténuation entre la bande passante et les régions situées à l'extériëur de celle-ci et qui maintiennent ce rapport sensiblement 15 constant. L'invention apparaîtra plus clairement à la lecture de la description qui va suivre, faite en regard des dessins joints dans lesquels ; - la figure 1 illustre une forme de réalisation du 20 filtre selon l'invention, les résistances série et parallèle étant insérées dans un réseau en treillis symétrique; - la figure 2 est un schéma d'une branche d'impédance du filtre selon la figure 1; - la figure 3 est un schéma de la branche d'impé- 25 dance illustrée sur la figure 2,cfens laquelle le c ristal piézoélectrique a été remplacé par son circuit équivalent; - la figure 4 est un diagramme montrant la disposition des pôles et des zéros de la caractéristique d'un filtre à bande étroite selon la figure 1; 30 - la figure 5 montre la caractéristique d'impédan ce d'un filtre à bande étroite réalisé selon l'invention; - la figure 6 est un schéma d'un filtre à bandes étroites multiples, à transformateur différentiel , incorporant l'invention; 35 - la figure 7 montre la caractéristique de réponse du filtre selon la figure 6» Dans la forme de réalisation selon la figure 1, une source de tension 10 ayant unerésistance.interne 11 est connectée entre les bornes d'entrée 12 et 13 d'un réseau en treillis symétri-40 que comprenant les branches d'impédance et Z^. Les branches 69 04582 200266k série Z sont connectées entre l'une des bornes d'entrée et une a borne de sortie correspondante. Les branches en diagonale Z^ sont connectées entre une borne d'entrée et la borne de sortie opposée. Une résistance de charge 16 est connectée entre les bor-5 nés de sortie 14 et 15= Chacune des branches Z et Z, est de la forme re- 3. D présentée sur la figure 2. Elle comprend une résistance 20 de valeur Rg et un cristal piézoélectrique 21 connectés en série entre les bornes A et B, et une résistance 22 de valeur R^ et connectée 10 directement entre les bornes A et B, en parallèle sur les éléments 20 et 21 en série. Dans le but de faciliter le calcul correct du filtre passe-bande il est utile de représenter le cristal 21 par son circuit équivalent constitué, comme le montre la figure 3, par une 15 inductance Lx,une capacité Cx et une résistance Rx connectées en série et sur l'ensemble desquelles se trouve connectée en parallèle la capacité shunt du cristal Cg^. Bans le calcul d'un filtre à cristal à bande étroite, du type illustré,, sur la figure 1, les cristaux incorporés dans 20 les branches ZQ et Z^ sont choisis pour satisfaire aux exigences . spécifiques (bande passante et fréquence de coupure) du circuit particulier dans lequel le filtre est utilisé. La figure 4 est un diagramme montrant la disposition des pôles et des zéros de Ja caractéristique d'un filtre à bande étroite sçlon la figure 1; • 25 figure 5 montre la caractéristique d'impédance d'un tel filtre. La fréquence.de coupure inférieure.de la bande passante voulue est la fréquence de .résonance série f des branches et série Z , la fréquence de coupure supérieure est la ir,4ueuce CL de résonance f^ des branches en diagonale Z^. La largeir de la 30 bande passante est par conséquent égale à f, - f = BP (1) b a Une seconde bande passante comprise entre les fréquences f f et f^' résulte de la résonance parallèle des cristaux individuels. L'effet du filtre entre les fréquences de coupure 35 f et f^ et l'élimination effective de la seconde bande passante entre les fréquences de coupure f * et f^' sont assurés par la terminaison du filtre dans la résistance de charge R^. Le réseau de filtre est donc terminé sur une faible résistance de charge afin d'adapter l'impédance caractéristique ZQ du filtre à la 40 fréquence médiane fffl où l'impédance caractéristique ZQ est donnée 69 04582 4 par la relation suivante 0 f A o £,, L U ^ i. u1 Z0-Ï2 7C Lx(fb.fa). (2) L'impédance-caractéristique Z ' à la fréquence médiane fm' entre les fréquences f ' et f^' est beaucoup plus éle-5 vée que Z et e st donnée par la relation * 0 if + lfîr V = TtC^f M (3) sh a b a où 10 Z0- » Z0 (4) Dans la relation (3), Af est la différence entre les fréquences médianes fffl et fm' et est la capacité shunt du cristal. 15 En conséquence de l'impédance caractéristique Z 1 élevée et de l'impédance de terminaison R^ faible du filtre, la bande de fréquence supérieure f^f - f ' suoit une perte par réflexion très élevée et son effet se trouve ainsi éliminé efficacement de sorte que la seule bande passante utile du filtre est si-20 tuée entre les fréquences f et f^. Pour le calcul du filtre passe-bande selon l'invention on utilise un facteur de qualité effectif Qg du cristal pour évaluer la résistance série Rg et la perte de la section du filtre, Qg étant déterminé à partir du filtre à cristal avant que 25 la résistance série Rs et avant que les résistances parallèles ne soient connectées dans le circuit. Pour rendre optimal le calcul du filtre selon l'invention, la valeur de Qq est choisie approximativement égale au dixième de la valeur du facteur de qualité moyen Q des cristaux individuels utilisés dans le filtre. La sé~ 30 lection pour Qg d'une valeur relativement petite par rapport à la valeur du facteur Q des cristaux individuels permet d'insérer une résistance Rg relativement grande en série avec les cristaux indi-viduels^ ce qui réduit à un minimum les effets des variations du facteur Q d'un cristal à l'autre par suite des différences de fa= 35 brication ou des variations de température. Il en résulte qu'il est possible de prévoir d'une façon précise l'atténuation de la section de filtre et de maintenir cette atténuation à un niveau constant. La perte de la s ection de base du filtre peut être 40 calculée à partir de la relation suivante ? 69 04582 5 2"C"c perte(s) ' * (t'a-i'bÎQe (5) dans laquelle f est la fréquence médiane ou mi-bande du filtre, 5 f et f^ sont les fréquences de coupure inférieure et supérieure respectivement, Qg est le facteur de qualité effectif, et est une constante se rapportant principalement à la pente de la courbe de déphasage du filtre. La caractéristique d'atténuation des bandes passan X) tes individuelles est déterminée principalement par la résistance série Rg des branches individuelles du filtre. En incorporant la résistance série de valeur Rg prédéterminée et liée aux paramètres du circuit de filtre, la présente invention assure que la caractéristique d'atténuation des bandes passantes individuelles soient 15 plates, constantes et prévisibles. La résistance série Rg est liée à la fréquence médiane fm, à l'inductance Lx du cristal, à la résistance R du cristal et au facteur de qualité effectif Q sui-vant la relation suivante ; 2 7f f L 20 Es «7®— - V Comme on l'a souligné précédemment, la résistance Rg est rendue relativement grande en choisissant une petite valeur pour Qe, rendant ainsi le filtre effectivement indépendant des 25 variations des paramètres qui résultent des variations de fabrication ou des variations de température. Dans les utilisations des filtres passe-bande antérieurs, il suffisait généralement d'établir et de maintenir un niveau d'atténuation minimum à l'extérieur de la bande passante in-30 dépendamment des variations d'atténuation dans les régions atténuées. Des crêtes d'atténuation étaient donc permises, pôr exemple, aussi longtemps que l'atténuation minimum était maintenue à l'extérieur de la bande passante. ^ Une particularité ^principale de l'invention est la 35 perte uniforme dans la région située à l'extérieur de la bande passante du filtre. L'insertion d'un atténuateur en parallèle sur !la combinaison série constituée par la résistance 20 et le cristal 21, représentée par la résistance R^, procure une atténuation plate à l'extérieur de la bande passante en même temps qu'un rapport d'at-liO ténuation fixe et constant entre la bande passante et les régions 69 04582 6 situées à l'extérieur de celle-ci» Afin de rendre optimum le calcul du filtre passe-bande et d'établir les régions d'atténuation plate requises ou niveaux de perte, l'atténuateur parallèle représenté par la résis-5 tance 22 a été calculé de manière à présenter une impédance plusieurs fois plus grande que l'impédance caractéristique ZQ de la section de filtre. Le rapport d'atténuation entre les bandes passantes et les régions situées à l'extérieur des bandes passantes, d'autre part, dépend principalement des exigences spécifiques im-10 posées au filtre par le circuit particulier dans lequel il doit ê-tre utilisé et il peut être sélectionné en fonction de ces exigences. La caractéristique de perte totale de l'atténuateur /~perte(att)J est déterminée par la perte du filtre composite à la fréquence médiane f plus le rapport d'atténuation £Att(R)_7 15 entre les bandes passantes et les r égions situées à l'extérieur de celles-ci pour l'application particulière envisagée. La perte à la fréquence f comprend trois composantes, à savoir : la perte de la section de base /~perte^s^J calculée à l'aide de la relation (5), plus une perte shunt y_~perte (Sh)_7 introduite par l'atténua-20 teur, moins une perte par réflexion L entre l'atté nuateur et l'impédance de terminaison du filtre. La perte globale de l'atténuateur peut donc être calculée d'après la relation suivante : Perte(att) " Att (R) + Perte(s) + Pert«(sh) " Perte(réfl) dans laquelle la perte shunt est calculée comme suit i Perte(sh) "2/"201,)e1o j l8> et dans laquelle la perte par réflexion est égale à ; R + R !(réfl)20 lo®10 avec- 30 Perte^^-, ^ = 20 log1n .,p (9) p Rf R = 2^- (10) 35 où Rp et R^ sont les valeurs des impédances de l'atténuateur et du filtre respectivement. Afin de rendre le filtre selon 1'intention plus souples la résistance série Rg et l'atténuateur R^ peuvent être rendus variables. Cela permet alors de régler le,filtre en vue 40 de compenser les variations de f abrication, procurant ainsi la 69 04582 ? jCm V iV « caractéristique de filtre exacte que requiert l'application envisagée. La figure 6 est un schéma d'un filtre passe-bande à transformateur différentiel réalisé selon les principes de l'in-5 vention et présentant une caractéristique en fonction de la fréquence telle que représentée sur la figure 7. Le filtre de la figure 6 présente six bandes passantes étroites centrées entre les fréquences indiquées. La figure 7 illustre clairement les particularités de l'invention, à savoir ; 1) l'allure relativement pla-10 te dans les bandes passantes ainsi qu'entre celles-ci; 2) les niveaux d'atténuation identiques dans les bandes passantes et en dehors de celles-ci; 3) le rapport d'atténuation fixe entre les bandes passantes et les régions situées à l'extérieur de celles-ci. 15 Le filtre représenté sur la figure 6 reçoit son signal d'entrée d'une source 30 par l'intermédiaire de l'enroulement primaire 31-1 et de l'enroulement secondaire 31-2 d'un transformateur 31, du type différentiel. Une résistance de charge 32 a une borne connectée à la prise médiane de l'enroulement se-20 condaire 31-2 tandis que son autre borne est connectée aux extrémités opposées de l'enroulement secondaire 31-2 à travers les résistances 33 et 34 respectivement. La résistance 33, à son tour, se trouve en parallèle sur une inductance 35 et six circuits à cristaux individuels 36, chacun de ceux-ci comprenant, connectés 25 en série, une résistance variable 37, un cristal piézoélectrique 38 et une r ésistance fixe 39. La résistance 34, d'autre part, se trouve en parallèle sur une inductance 40 et six circuits à cristaux individuels l+l, chacun de ceux-ci comprenant, connectés en série, une résistance fixe i+2 et un cristal 69 04582 - 20Q26 / r- C 69 04582 9 200266" REVENDICATIONS 1.- Filtre passe-bande à cristal comprenant une ou plusieurs sections de filtre, caractérisé en ce que les sections de filtre comprennent un cristal piézoélectrique (21) et une ré-5 sistance (20) connectés en série, et un atténuateur (22) shuntant directement la combinaison série des deux premiers éléments, la résistance ayant une valeur au moins plusieurs fois plus grande que la résistance série du cristal, la caractéristique d'atténuation des atténuateurs fixant le rapport d'atténuation entre la ban-10 de passante et les régions situées à l'extérieur de la bande passante, et maintenant ce rapport d'atténuation à un niveau sensiblement constant. 2-- Filtre suivant la revendication 1, caractérisé en ce que plusieurs sections de filtre en treillis sont connectées en 15 cascade, chacune des sections ayant une fréquence médiane f différente afin de procurer plusieurs bandes passantes dudit filtre. 3-- Filtre-suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le filtre comprend un transformateur différentiel (31) ayant un enroulement primaire et un enroulement secondaire à prise média- 20 ne, au mpins deux cristaux piézoélectriques et au moins deux résistances, l'enroulement primaire étant connecté à la paire de bornes d'entrée afin de recevoir un signal d'entrée appliqué au filtre passe-bande, la prise médiane étant connectée à une des bornes de sortie, chaque extrémité de l'enroulement secondaire étant connec-25 tée à l'autre borne de sortie par l'intermédiaire d'une combinaison série de l'un des cristaux et del'unedes résistances, en sorte que les fréquences de résonance des cristaux déterminent la bande passante du filtre, chacune des résistances série ayant une valeur qui est au moins plusieurs fois plus grande que la résistance série du 30 cristal qui lui est connecté en s érie afin de rendre la caractéristique passe-bande du filtre sensiblement plate et constante, et deux atténuateurs (33,34)> chacun de ceux-ci shuntant directement une des combinaisons série résistance-cristal afin de déterminer le rapport d'atténuation entre la bande passante et les régions 35 situées à l'extérieur de celle-ci de telle sorte que ce rapport soit maintenu sensiblement fixe, plat et constant. 4-- Filtre suivant l'une ou l'autre des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la résistance série a une valeur Rg qui est liée à la fréquence médiane f et au facteur de qualité 40 effectif de la section de filtre à cristal et à l'inductance 6904582 10 ' 2002663 et à la résistance série R^- du c ristal d'après la formule R - 2 fm.Lx „ Rs X 5 afin de rendre optimale la caractéristique passe-bande du filtre. 5«- Filtre suivant la revendication 4, caractérisé par une paire de bobines d'induction (35*40) ayant chacune une borne connectée ensemble et au point de jonction entre les atténuateurs, et ayant leurs autres bornes connectées individuellement à 10 une extrémité de l'enroulement secondaire, les bobines d'induction ayant chacune une inductance suffisante pour annuler la capacité des cristaux, de manière à assurer une caractéristique de réponse sensiblement plate dans les régions atténuées sur la bande de fréquences considérée. 15 6.- Filtre suivant la revendication 5, caractérisé en ce que l'une au moins des résistances des combinaisons série résistance-cristal a une résistance réglable afin de rendre optimale la caractéristique passe-bande du filtre.