Brevet FR2264423A1 — publié le 19751010

La presente invention concerne un nouveau type de filtre électro- mécanique à largeur relative de bande passante très reluite, applicable à des signaux de fréquence de tordre de 10Q kHz, plus généralement mais non limitativement de frequences comprises entre 100 et 200 kHz. De tels filtres sont nécessaires, par exemple, dans certains systèmes téléphoniques multiplex à courants porteurs, à voies étagées en fréquence, dans lesquels on doit pouvoir séparer une fréquence porteuse de voie de ses bandes latérales-. Dans un tel système, les signaux à fréquence vocale de chaque-voie subissent habituellement une première transposition de fréquence avant d'être amenés à la position finale en fréquence dans laquelle ils sont transmis sur une ligne.Ainsi, dans un système à t2 voies téléphoniques ayant chacune une largeur de bande de 4 kHz et devant occuper en ligne la bande ó0-t08 kHz, on procède d'abord, à l'émission, à une première transposition de fréquence utilisant un courant porteur à 128 kHz pour amener chav que voie à la position 124-128 kHz (ou 128-132 kHz). Après une nouvelle transposition utilisant des courants porteurs convenablement étagés en frequence et amenant 1' ensemble des 12 voies à occuper en ligne la bande 60-1Q8 kHz, la démodulation à la réception est faite par deux nouvelles transpositions de fréquence, dont la pre miere amène chaque voie à la position 124-128 kHz (ou 128et32 khz. Si l'on désire utiliser l'onde porteuse à t28 kHz correspondant à la fréquence zéro des signaux à fréquence vocale pour des buts de signa irisation (par exemple, comme signal rappel), il faut disposer d'un filtre à largeur relative de bande passante très réduite, ayant la fréquence centrale de 128 kHz en même temps qu'un affaiblissement élevé pour des fréquences différant de cette dernière do quelques dizaines de hertz seulement. Autrement dit, le filtre en question doit avoir une largeur de bande relative de l'ordre de 1/1OQQ. De tels filtres ont été généralement réalisés dans l'art antérieur sous forme de filtres à quartz, en raison des valeurs élevées.des facteur, de qualité requis pour leurs éléments, facteurs qui ne peuvent dtre obtenus dans des circuits purement électriques.Cependant, en raison du oobt élevé des éléments à quartz et de la difficulté de l'usinage nécessaire pour ajuster avec précision leur fréquence de résonance, on s'est aussi proposé de réaliser des filtres à éléments résonnants mécaniques utilisant des matériaux métalliques tels que les aciers ferronickel couramment appelés "Elinvar" ayant un coefficient de dilatation thermique négligeable et en mdme temps faciles à usiner et à amener à des dimensions précises, pouvant d'ailleurs titre corrigées par un usinage secondaire également facile. On coImat déjà, par exemple par l'article de Ilse LEVAS publié dans la revue allemande "orchis der elektrischen flbertragtng", val. 17, fascicule 5, 1963, pages 230-236, des filtres électromécaniques utilisant des éléments métalliques, cn l'espèce des plaques rectangulaires vibrant dans une direction parallèle à l'un de leurs cotés et couplées entre elles par des tiges de direction perpendiculaire à la précédente. L'objet de la présente invention est une nouvelle réalisation de filtres électromécaniques à bande étroite dont le prix de revient et les difficultés de fabrication sont réduits par rapport à ceux existant dans l'art antérieur. Selon la présente invention, il est prévu un filtre électromécanique comprenant - un transducteur électromécanique d'entrée et un transducteur mécano-électrique de sortie ; - une suite de résonateurs à fréquence de résonance commune, consistant chacun en une tige cylindflque vibrant longitudinalement dans une direction commune et dont le premier et le dernier sont respectivement couplés à l'un et l'autre desdits transducteurs ;; - et des coupleurs entre résonateurs voisins, lesdits coupleurs étant disposés de manière à vibrer dans une direction sensiblement perpendiculaire à la direction longitudinale de vibration desdits résonateurs voisins ledit filtre étant caractérisé en ce que lesdits coupleurs sont constitués par de courtes tiges cylindriques de longueur et de diamètre bien inférieurs à ceux desdits résonateurs et orientées sensiblement perpendiculairement à la longueur de ceux-ci, lesdites courtes tiges étant liées rigidement, de préférence par soudure, à chacun des résonateurs qu'elles couplent. Selon un mode l'exécution préféré de 1' i'wenticn, lesdits coupleurs sont placés dans uri plan médian commun perpendiculaire à la longueur desdits résonateurs et passant sensiblement par le milieu de cette longueur, lesdits coupleurs étant sensiblement en ligne droite avec un diamètre de la section droite desdits résonateurs. Egalement selon un mode d'exécution préféré de l'invention, les transducteurs sont du genre utilisant une matière céramique piézoélectrique. Ltinvention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée donnée ci-après, en relation avec les dessins annexés, dans lesquels - la Fig. t montre une réalisation simple de ltinvention, utilisant rois résonateurs et deux coupleurs - la Fig. 2 montre la forme générale de la courbe caractéristique "affaiblissement-fréquence" du dispositif de -la Fig. I - la Fig. 3 montre le mode d'assemblage des coupleurs de la Fig. 1 avec les résonateurs de celle-ci ; et - la Fig. 4 est le schéma d'un circuit électrique équivalent au dispositif de la Fig. 1. Avant d'expliquer en détail le fonctionnement du filtre de la Fig. 1,il convient d'abord de mieux préciser les inconvénients qui peuvent se présenter dans un filtre à bande étroite réalisé au moyen de résonateurs mécaniques vibrant longitudinalement et construit de la manière la plus simple selon un arrangement "colinéaire". Un tel filtre pourrait utiliser comme résonateurs deux tiges cylindriques métalliques chacune de longueur égale à po/2, XO o étant la longueur d'onde correspondant à la fréquence centrale Fo désirée, pour la vibration longitudinale par compression de ces tiges.Les deux tiges en question seraient coaxiales, placées dans le prolongement l'une de l'autre et couplées par un coupleur coaxial soudé avec lesdites tiges et fait par exemple d'une tige cylindrique du méme métal que celles-ci, mais d'un diamètre plus réduit et ayant une longueur égale à au/4, afin de réaliser le filtrage désiré d'une bande étroite de largeur f centrée sur FO. Le facteur de couplage k dudit coupleur est, de manière connue et en supposant que le matériau du coupleur est le méme que celui des résonateurs k = nr d2/D2 D et d étant respectivement les diamètres des tiges formant les résonateurs et de cette constituant le coupleur. Or, si l'on veut obtenir avec un acier ferronickel du genre Elinvar une fréquence centrale de 130 kHz, par exemple, avec une largeur de bande relative de 4 ffi et des résonateurs de diamètre D = 4,5 mm, la valeur nécessaire de k est telle qu' il faut déjà que d soit réduit à 0,9 Ilin (ce qui correspond à un facteur de couplage k de 0,025). Pour obtenir une largeur de bande relative de 1/1000, il faudrait que le diamètre de du coupleur soit réduit à 0,2 mn. On conçoit sans peine les difficultés de réalisation mécanique d'éléments satisfaisant à ces conditions, sachant que la précision relative par ailleurs nécessaire sur les diamètres est de 1/1000. D'autre parts il est évident qu'une telle structure serait très fragile Enfin, on ne peut espérer une plus grande facilité de construction par le changement du métal de la tige de couplage pour un autre différent de celui des résonateurs, les divers matériaux utilisables ayant tous des valeurs voisines de densité et de vitesse de propagation. En vue de réaliser des filtres électromécaniques à bande passante très étroite, on est donc conduit à rechercher des types de couplage entre résonateurs différents du montage "colinéaire". Dans les dispositifs selon la présente invention, les coupleurs entre résonateurs sont réalisés en utilisant la propriété connue d'une barre ou tige élastique qui, lorsqu'elle est soumise à une forme de compression ou d'extension agissant perpendiculairement à sa section, subit non seulement une déformation dans la direction de cette force, mais également une déformation moindre dans des directions perpendiculaires à celle-ci. Supposant une telle barre ou tige portée par l'axe des z dans un système de coordonnées rectangulaires (xyz), ses sections extrd- mes étant soumises à des forces agissant uniformément sur leurs surfaces et en sens inverses, désignant part la force totale appliquée par unité de surface, on obtient pour les composantes des déformations relatives dans les directions z, x et y les valeurs respectives u = P/E ; n = u = zz xx yy zz E étant le module d'Young du matériau constituant la tige et cr son coefficient de Poisson, quantité inférieure à l'unité. Pour les ferronickels du type Elinvar, le coefficient de Poisson est voisin de 0,30. La barre étant un résonateur mécanique -vibrant en mode longitudinal, la variation périodique de sa longueur s'accompagne d'une variation périodique, de même fréquence, des dimensions transversales. Le déplacement latéral ainsi obtenu peut etre utilisé pour transmettre de lténergie à d'autres résonateurs, autrement dit pour les coupler au résonateur excité. Le calcul montre que a) les valeurs pratiques de couplage réalisées par cette méthode peuvent étire, toutes choses égales d'ailleurs, 5 à 10 fois plus faibles que dans le cas du couplage à force uniaxiale b) le facteur de couplage dépend du coefficient de Poisson. Se référant maintenant à la Fig. 1, celle-ci représente un filtre mécanique passe-bande réalisé selon le principe exposé ei-deJssusO Il est composé de trois résonateurs métalliques cylindriques 1, 2, 3 vibrant longitudinalement dans la direction z. Les résonateurs extremes I et 3 sont du type hybride, On entend par là que, sur chacun d'eux, paralleler.lent à l'axe, on a ménagé un méplat sur lequel est soudée une plaquette de céramique piézoélectrique 21 ou 22, sur laquelle est fixée une électrode 31 ou 32 reliée à une borne d'accès M1 ou Les paires dé résonateurs consécutives sont réunies par deux éléments de couplage 41 et 42 au niveau de leur section droite médiane.Ces éléments sont en ligne droite avec un diamètre de ladite section droite. Le calcul du filtre consiste fondamentalement à déterminer les dimensions physiques des résonateurs et des coupleurs en fonction des caractéristiques élastiques du matériau- de manière à réaliser une structure mécanique possédant les proprié tés- filtrantes prescrites. D'une manière classique, en se basant sur le concept d'analogie électromécanique, à la structure mécanique représentée à la Fig. 1, on fait correspondre le schéma électrique de la Fig. 4. Les paramètres qui doivent être pris en considération sont 1) La fréquence des résonateurs vibrant en élongation selon-le mode fondamental, qui est donnée par la formule où L est la longueur du résonateur E est le module d 'Young du matériau est la masse volumique du matériau. La présence de la couche céramique sur les résonateurs hybrides modifie leur fréquence de résonance; un calcul approche de f0 se fait en évaluant la rigidité équivalente du système céramique-métal. 2) Les coefficients de couplage internes (entre résonateurs) sont fonctions du diamètre et de la longueur des coupleurs 4î, 42. Leur longueur étant choisie inférieure à , ils se comportent comme des systèmes linéaires définis complètement par leur souplesse. Les capacités équivalentes C1 2 et C2 1 de la Fig0 5 sont données par l C1,2 = 2,1 = Es 1,2 2,1 où e est la longueur du coupleur s est l'aire de la section E est le module d'Young. Le coefficient de couplage mécanique est sensiblement égal à la largeur de bande relative du filtre : f2-f1 k1,2 = k2,1 = f0 La connaissance des fréquences propres et du coefficient de couplage mécanique permet de calculer les caractéristiques de transmission du filtre par les méthodes générales de synthèse appliquées aux systèmes à bande étroite. La Pig. Z représente une caractéristique d'affaiblissement typique. L'expérience montre que ce sont essentiellement les opérations de soudage qui altèrent pro fondement et aléatoirement les valeurs des paramètres de construction du filtre. La mise en oeuvre d'une méthode d'assemblage précise revit donc une importance fondamentale dans le processus de fabrication du filtre, si l'on veut éviter d'avoir à effectuer des réglages délicats et coûteux après montage et obtenir une bonne reproductibilité. Un procédé qui répond à ce critère a été mis au point (Fig. 3). Sur la Fig. 3, le résonateur central 2 est percé de part en part suivant un diamètre de sa section droite médiane. Sur chacun des résonateurs 1 et 3 d'extrémité est percé un trou borgne perpendiculairement au plan du méplat, la profondeur du trou étant sensiblement égale à la valeur du rayon du résonateur. Les coupleurs sont réalisés sous la forte d'une tige cylndrique 43 de longueur e = 2 (Q + QC + r) où e est la partie de la tige encastrée dans le résonateur hybride 1 ou 3 ; QC est la longueur effective du coupleur, c'est-à-dire de la portion de tige qui assume la fonction de couplage ; et 2r est celle de la portion de tige intérieure au résonateur eentral 2. Résonateurs et tige de couplage sont ensuite positionnés comme l'indique la Fig. 3 sur un gabarit de montage. L'as emblage se fait par brasure. Le métal d'apport contient 45 Cjo d'argent; sa température de fusion est de 5500C. Au cours dtune opération de brasage normalement conduite, le métal se trouve porté à cette température pendant un temps compris entre 30 et 6O secondes. La structure mécanique asemblée subit un traitement thermique de stabilisation (4 heures à 200 C). On a vérifié que ce processus n engendrait pas de modification sensible des propriétés élastiques de la structure: le facteur de surtension mécanique des résonateurs n'est diminué que le 5 cp environ; le coefficient thermoélastique ne subit pas de variation significative. Âpres le traitement thermique de stabilisation, les plaquettes de céramique piézoélectrique sont soudées sur les résonateurs d'extrémité et les connexions d'entrée et de sortie effectuées. Des filtres prototypes conçus et réalisés selon la méthode exposée, avec la fréquence centrale de 128 kHz, sont actuellement utilisés pour extraire un signal d'appel dans la channe "Réception" dlun système téléphonique 12 voies expérimental La caractéristique d'affaiblissement de ces filtres est représentée à la Fig. 2. On voit sur celle-ci que le filtre, de fréquence centrale t28 kHz, a déjà un affaiblissement B supérieur à 5 Nepers pour un écart de fréquence de 0,5 kHz. Sa largeur de bande relative est de l'ordre de 1/t000. Se référant enfin à la Fig. 4, celle-ci montre le schéma électrique équivalent au dispositif de la Fig. 1. Comme on le voit sur la Fig. 4, les résonateurs 1, 2, 3 de la Fig. 1 sont équivalents aux circuits résonnants du type série (L1 C1), (L2 C2), (L1 C1) tandis que les coupleurs sont représentés par les condensateurs C12 et C2,1 Enfin, les capacités parallèles présentés aux bornes Mi et M2 vis-à-vis d'un point à potentiel constant (terre) relié à la masse du résonateur 2 sont représentées sur la Fig. 4 par les condensateurs Cg, C0. Sur la Fig. 4, on remarque encore - une capacité C, de faible valeur, qui est la capacité parasite directe existant entre Mi et M2 dans le dispositif de la Fig. 1 ; - un transformateur de sortie T de rapport (+1) ou (-1) reliant le réseau-filtre au circuit final d'utilisation M2-terre. Le trans for- mateur T est de rapport (+t) ou ( selon que les éléments piézo ceramiques21 et 22 de la Fig. 1 ont été traités sous des tensions continues de même polarité ou de polarités opposées. Le premier cas fouit un filtre ayant une pointe d'affaiblissement à une fréquence supérieure à la fréquence centrale (comme c'est le cas sur la courbe d'affaiblissement de la Fig. 2); le second cas correspond à un filtre ayant une pointe draffaiblissement à mie fréquence inférieure à la fréquence centrales REVENDICATIONS 1 - Filtre électromécanique comprenant - un transducteur électromécanique d'entrée et un transducteur mécano-électrique de sortie - une suite de résonateurs à fréquence de résonance commune, consistant chacun en une tige cylindrique vibrant longitudinalement dans une direction comnune et dont le premier et le dernier sont respectivement couplés à itun et l'autre desdits transducteurs ; et - des éléments coupleurs entre résonateurs voisins, lesdits coupleurs étant disposés de manière à vibrer dans une direction sensiblement perpendiculaire à la direction longitudinale de vibration desdits résonateurs voisins ledit filtre étant caractérisé en ce que lesdits coupleurs sont constitués par de courtes tiges cylindriques de longueur et de diamètre bien inférieurs à ceux desdits résonateurs et orientés sensiblement perpendiculairement à la longueur de ceux-ci, lesdites courtes tiges étant liées rigidement, de préférence par soudure,. à chacun des résonateurs quelles couplent. 2 - Filtre selon la revendication 1, dans lequel lesdits coupleurs sont placés dans un plan médian comnun perpendiculaire à la longueur desdits résonateurs et passant sensiblement par le milieu de cette longueur, lesdits coupleurs étant sensiblement en ligne droite avec U11 diamètre de la section droite desdits résonateurs. 3 - Filtre selon la revendication 1, dans lequel les transducteurs électromécaniques sont du type céramique piézoélectrique. 4 - Filtre selon la revendication 1, comprenant trois résonateurs, dans lequel les coupleurs sont réalisés au moyen d'une tige commune 43 (Fig. 3) placée sensiblement dans un plan perpendiculaire à la longueur des résonateurs et passant sensiblement par le milieu de ladite longueur, ladite tige comnune pénétrant dans les résonateurs au voisinage immédiat d'un rayon de la section droite de ceux-ci et traversant de part en part le résonateur intermédiaire, tandis qu'elle ne pénètre dans les résonateurs extrêmes que d'une quantité au plus égale audit rayon.