Brevet FR2258050A1 — publié le 19750808

La présente invention a pour objet un filtre électromécanique comportant des résonateurs composites en mode de flexion et, plus particulièrement, un filtre électromécanique passe-bande composé de deux résonateurs métalliques vibrant en flexion couplés par deux coupleurs également métalliques vibrant en torsion. Des filtres de ce type ont déjà été proposés. Ainsi, dans l'article "Electromechanical Filter composed of transversaly vibrating résonateurs for low frequencies" de Kondo, Kusakabe et Tomikawa dans la revue "The Journal of the Acoustical Society of Âmerica", vol. 41, Ne 4, partie 2, 1967, il est décrit un filtre comportant deux résonateurs, quatre plaquettes de céramique et deux coupleurs. La partie conteuse étant la céramique, ce filtre revient assez cher. Dans l'article nCharacteristics of an electromechanical filter using piezoelectric composite bending vibrators" de Yakuwa dans la revue "Electron. Comm. Jap.", volume 48 de Novembre 1965, deux plaquettes de céramique seulement sont utilisées, mait le sens de polarisation des céramiques est le mimez en sorte que la courbe d'affaiblissement ne présente pas de piles d'affaiblissement, caractéristique cependant très utile pour des filtres utilisés dans le domaine des télécommunications en particulier. La présente invention évite ces inconvénients. Elle utilise seulement deux plaquettes de céramique par filtre et ces deux plaquettes ont leurs polarisations orientées en sens contraire. Cette invention sera mieux comprise en se référant à la description qui va suivre et aux dessins annexés, dans lesquels r - la Fig. 1 est un schéma en perspective dune structure de filtre connue - la Fig. 2 est une vue de dessus en plan de la structure ae1aK'g. ; - la Fig. 3 -eat une vue coupée par le plan I-I de la structure de la Fig. 2 ; - la Fig. 4 est une vue analogue à la Fig. 3 pour une structure selon l'invention - la Fig. 5 est une vue modifiée de- la Fig. 4 selon 1'invention ; - les Figes. 6a et 6b sont respectivement le schéma électrique équivalent de la structure de la Fig. 4 et la courbe d'affaiblissement correspondante ;; - les Figs. 7a et 7b sont respectivement le schéma électrique équivalent de la structure de la Fig. 5 et la courbe d'affaiblissement correspondante ; et - la Fig. 8 est une courbe d'affaiblissement d'un filtre rinenta1 du type de celui de la Fig. 5. Sur toutes ces figures, les mêmes éléments portent les mêmes numéros de référence. La Fig. 1 représente une structure connue de filtre électromécanique passe-bande composé de deux résonateurs métalliques 3 et 3' vibrant en flexion sur lesquels sont collés deux transducteurs constitués par deux plaquettes de céramique 4 et 4', couplés par deux coupleurs 5 et 6 également métalliques vibrant en torsion. La Fig. 2 montre la même structure vue du dessus en plan. Les tensions d'entrée et de sortie du filtre ont des bornes respectives 1,1' et 2,2'. La Fig. 3 représente la même structure connue, vue coupée suivant le plan I-I de la Fig. 2. Les plaquettes de céramique sont polarisées dans le même sens. La Fig. 4 représente une structure selon l'invention, analogue à la Fig. 3, mais les plaquettes de céramique sont maintenant polarisées en sens contraire. La Fig. 5 représente une autre structure selon 1'invention, analogue à la Fig. 4, comportant en outre un condensateur de couplage entre les plaquettes de céramique. On peut montrer en effet par des considérations théoriques que l'association de deux céramiques polarisées en sens contraire et du couplage capacitif en question entre l'entrée et la sortie permet de faire apparattre des pâles d'affaiblissement de part et d'autre de la bande passante, caractéristique très utile pour de nombreux filtres à bande étroite. La Fig. 6a représente le schéma électrique équivalent à la structure de la Fig. 4. Il comporte des condensateurs CO, C12, C11, des inductances L; et un transformateur de rapport i/-i, cbst-àLre un transformateur à enroulements inversés engendrant une inversion de phase. La caractéristique d'affaiblissement correspondante est représentée sur la Fig. 6b. La Fig. 7a représente le schéma électrique équivalent à la structure de la Fig. 5. Il diffe're du schéma de la Fig. 6a par l'adjonction du condensateur Ce entre les bornes 1 et 2. La caractéristique dtaffaiblissement correspondante est représentée sur la Fig. 7b. Elle comporte deux pôles d'affaiblissement P1 et-P2 et cette caractéristique comprend une branche centrale Do et deux branches latérales descendantes D1 et D2. Le calcul de ces filtres s'effectue en utilisant les résultats suivants. La fréquence de résonance dtun résonateur de section rectangulaire vibrant selon la premier mode de flexion est donnée par la formule N1 = 1,03 pour un résonateur supporté aux noeuds e = épaisseur du résonateur i = longueur du résonateur E = module d'young du matériau p = densité du matériau Cette fréquence est modifiée par l'adjonction de la céramique. La rigidité équivalente du système céramique-métal doit être évaluée pour le calcul de la fréquence de résonance du résonateur composite. La longueur des coupleurs est inférieure à 4. Ils se comportent comme des compliances pures Cm 11 GJ Cm = compliance I = longueur du coupleur G = module de cisaillement du matériau j = 2r (r = rayon du coupleur) Dans le cas des filtres à bande étroite (t0 de l'ordre de 1 %) que l'on considère dans l'invention, le coefficient de couplage mécanique est sensiblement égal à 2 1 f o où f1 = fréquence de résonance des résonateurs en phase fa = fréquence de résonance des résonateurs en opposition de phase f0 = fréquence d'affaiblissementminimum. Cette expression représente aussi la largeur de bande relative du filtre. La connaissance des valeurs 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. Un filtre correspondant à la structure de la Fig. 5 a été réalisé dans le but d'extraire le signal d'appel, c'est-à-dire la fréquence porteuse du multiplex, dans une channe de réception d'un système de transmission téléphonique à 12 voies. Elle comporte deux résonateurs de section rectangulaire vibrant en flexion selon le premier mode symétrique, réalisés en Elinvar. Les coupleurs, également en Elinvar, ont une longueur de 6 iiiri (inférieure à t) et un diamètre de 1,4 mm. Ils sont soudés sur les résonateurs auiuveau des noeuds de vibration do telle sorte que le couplage mécanique est un couplage de torsion. Le matériau piézoélectrique constituant les plaquettes de céramique est une céramique PZT collée sur les résonateurs à l'aide d'une-colle conductrice. Le changement du sens de polarisation d'une plaquette par rapport à l'autre est obtenu par simple retournement de 180*. Les dimensions des plaquettes ont été déterminées de telle sorte que l'excitation du premier mode de flexion se trouve favorisé par rapport au troisième mode de flexion et au premier mode longitudinal. La caractéristique d'affaiblissement de ce filtre est représentée sur la Fig. 8. -REVENDICATIONS. 10) - Filtre électromécanique passe-bande comportant deux résonateurs métalliques sur lesquels sont fixés d1un même côté deux plaquettes d'un matériau piézoélectrique vibrant en flexion, ces résonateurs étant couplés par deux coupleurs métalliques vibrant en torsion, caractérisé en ce que les sens de polarisation desdites plaquettes de matériau piézoélectrique sont opposés. 2 - Filtre selon la revendication 1, caracterisé en ce qu'il est prévu un condensateur de couplage entre les deux plaquettes de céramique, do façon à faire apparattre deux pales dtaffaiblissement dans la caractéristique d'affaiblissement, 3) - Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau piézoélectrique est une céramique du type PZT.