Brevet FR2376558A1 — publié le 19780728

La présente invention concerne les filtres électroméca- niques du type présentant au moins un p8le ou maximum d'atténuation au voisinage de la bande passante. Elle est relative à une structure de filtre de ce type, de réalisation mécanique simple, permettant une production industrielle et assurant une qualité élevée de la transmission dans la bande à transmettre. lies filtres électromécaniques sont essentiellement cons titués d'un ensemble de résonateurs, géneralement des barreaux métalliques de forme cylindrique, dont les dimensions sont déterminées de façon que, suivant un mode de vibration choisi, ces barreaux constituent des circuits accordés à une fréquence choisie à l'avance. Ces barreaux sont interconnectés à l'aide de coupleurs constitués le plus souvent de tiges métalliques vibrant suivant un mode choisi à l'avance et assurant le couplage mécanique entre résonateurs adjacents.L'un des résonateurs, dit résonateur d'entrée, est associé à un transducteur effectuant la modification d'un signal électrique d'entrée en un déplacement mécanique correspondant au mode de vibration choisi pour ledit barreau; de même, un second barreau de l'ensemble, dit résonateur de sortie, est associé à un second transducteur assurant la transformation inverse. lies transducteurs sont reliés respectivement aux bornes d'en trée et de sortie du filtre. De tels filtres ont fait l'objet de nombreuses études décrites abondamment dans la presse technique ainsi que de brevets.On rappellera pour mémoire les demandes de brevet suivantes déposées par la Demanderesse : le 31 Juillet 1975 pour : "Filtre mécanique passe-bande pour hautes fréquences", le 20 Novembre 1975 pour: "Filtres électromécaniques et le 26 Juillet 1970 pour: "Perfectionnement au couplage pour filtres électromécaniques". Il est connu (voir notamment article de R.Â. JOHNSON publié dans les comptes-rendus du Symposium on Circuits and Systems 'newton - Avril 1975 organisé par l'instituts 0f Electrical and Electronic Engineers)de créer des pôles dans la caractéristique de transmission en disposant, entre barreaux non adjacents, des coupleurs auxiliaires désignés sous le terme de " pont " dans la suite de ce texte. li' étude faisant l'objet de la publication ci-dessus a abouti aux résultats suivants Nombre de barreau; Longueur mécani- Pôles voisins de la entre extrémités que du pont bande transmise du pont 2n 3 2 /4 + p 1 pôle de chaque côté de la bande. 2n A/4 + p correcteur de phase (2 pôles complexes conjugués) 2n - 1 3 #/4 + p 1 pôle de fréquence infé rieure à la bande 2n - 1 A/4 + p 1 p81e de fréquence supé rieure à la bande où n est un nombre entier positif non nul p est un nombre entier positif ou nul et A la longueur d'onde à la fréquence centrale du filtre dans le mode de vibration choisi pour le pont. Sur le plan de la réalisation, il est important de réduire au minimum la longueur des-ponts pour supprimer tout risque d'irrégularité introduite dans la caractéristique par uns fréquen- ce propre d'oscillation parasite dudit pont. il est donc souhaitable de limiter la longueur du pont au quart ou auxtrois quarts de la longueur d'onde dans le mode de vibration utilisé (p = O). Pour réaliser l'interconnexion entre barreaux non adjacents, cette longueur est au moins égale à celle des coupleurs entre résonnateurs et, en général-, encore plus longue puisqu'il faut enjamber plusieurs barreaux.Il se présente donc une incompatibilité entre la condition de longueur minimale du pont ( A/4) et la longueur phy siaue nécessaire à l'interconnexion de résonateurs non adjacents; en effet, le plus souvent, chaque coupleur a déjà une longueur de A/4 o La présente invention concerne une structure de filtre électromécanique rendant possible la condition de longueur mini mals des. ponts. Elle est essentiellement caractérisée en ce que les résonateurs constituant le filtre sont disposés parallèlement les uns aux autres dans au moins deux plans distincts, le pont étant réalité entre barreaux appartenant deux plans différents De préférence, ces plans sont parallèles entre eux et les barreaux sont disposés parallèlement les uns aux autres.Selon une variante préférée de l'invention, le pont est établi de façon à enjamber un nombre de résonateurs supérieur au minimum ( n > 1 dans le tableau ci-dessus). Les structures selon la présente invention présentent l'avantage de conduire à des réalisations plus compactes, d'encombrement réduit par rapport aux réalisations de l'art antérieur où les réonateurs sont tous placés dans un même plan. L'invention permet de réaliser un pont enjambant un nombre quelconque (pair ou impair) de résonateurs en conservant la longueur minimale du pont (p = O dans le tableau ci-dessus)* Elle est utilisable quels qve soient les modes de vibration des resonateurs et des coupleurs. -'invention sera bien comprise en se reportant à la des- cription suivante et aux figures qui l'accompagnent données @ titre d'exemple non limitatif ae structures selon l'irvention et dans lesquelles - la figure 1 représente une variante de réalisation d'un filtre utilisant des résonateurs vibrant suivant le mode longitu- dinal et des coupleurs vibrant suivant le mode de flexion; - la figure 1 bis est une vue schématique d'une fraction de la figure 1; - la figure 2 est une variante de la figure 1; - la figure 3 est une courbe permettant de définir les notations utilisées ultérieurement; ; - les figures 4 et 5 sont deux variantes de filtres selon 1'invention utilisant des barreaux vibrant en flexion; - les figures 5 et 7 sont deux variantes de filtres selon l'invention utilisant des barreaux vibrant en flexion dan un plan perpendiculaire à celui des variantes précédentes; - les figures 8, 9 et 10 sont des courbes montrant i' n- fluence de l'existence et de la position d'un pont dans un filtre selon l'invention; - les figures il et 12 montrent des dispositifs d;excitation et de sortie d'un filtre selon l'invention; - la figure 13 représente un montage mécanique des barreaux. a figure 1 représente schématiquement une vu d'un filtre selon la présente invention dans laquelle les résc ateurs sont situés dans deux plans, les résonateurs vibrant suivant un mode longitudinal et les coupleurs suivant un mode de flexion. On a représenté les résonateurs 1, 2, etc... 9 couplés entre eux par les coupleurs 11, 12, 1,, 14 et 15. Il est bien entendu que le nombre de résonateurs utilisés dans le filtre dépend essentiellement de la caractéristique à obtenir et sort du cadre de la présente invention. Ainsi qu'i est représente, les barreaux 1, 2, 3 appartiennent à un même plan, différent du plan occupé par leE barreaux 7, 8, -9.Les deux plans sont parallèles et les barreaux sont disposés parallèlement les uns aux autres. Sur le barreau I n a figuré le transducteur 16 connecté à la borne d'entrée E et sur le barreau II le transducteur 17 connecté à la borne ae sortez e S. La distance d entre les deux plans occupés par les barreaux Est avantageusement aussi faible que possible, compte tenu des contions mécaniques de fixation, pour des raisons d'encombrement et galement pour permettre d'utiliser un coupleur 13 entre barreaux g ap appartenant à deux plans différents de préférence le plus court pos- siole; dans l'exemple de la figure 1, le coupleur est une tige vibrant en flexion de longueur égale à un quart de la longu ur d'onde à la fréquence centrale du filtre. Ainsi qu'il est connu les coupleurs 11 et 12 peuvent être constitués par une tige unique. De même le mode de fixation des coupleurs sur les résonateurs et la position optimale du point de contact le long du barreau (points A ou B par exemple) sortent du cadre de la présente nven- tion. Il est notamment connu de connecter les coupleurs en ur point du résonateur correspondant à un noeud pour un mode de ri- bration parasite dont la fréquence de résonance est voisine dr la bande à transmettre en vue d'améliorer la caractéristique de trans- mission du filtre. Conformément à l'invention, on dispose un pont, par exemple entre les résonateurs 3 et 8, tel le pont représenté en 20 sur la figure. Un tel pont enjambant un nombre impair de barreaux (n = 1), (le barreau 7 seul), le filtre présente un seul pôle à une fréquence supérieure à celles de la bande transmise si l'on se reporte aux conditions résultant de l'étude de Nro JOHNSON déjà citée. La longueur de ce pont est l'un des paramètres qui déter mine l'écartement d (figure 1 bis) des deux plans de barreaux, donc l'encombrement du filtre.Dans l'exemple choisi, 13 et 14 sont de longueurs identiques tandis que la longueur de 20 est 1 = #kr20/fo , dépend donc du rayon r20 (qui est défini plus loin), d'une constante k du matériau et de la fréquence centrale f0 du filtre. La distance entre deux barreaux n'appartenant pas au meme plan et occupant le même rang (par exemple 2 et 9) dans les deux plans est constante et égale à la distance d entre les deux plans de barreaux. On peut donc assurer à l'aide d'un pont analogue au pont 20 de la figure 1 un couplage entre les barreaux 2 et 9 par exemple, ctest-à-dire un pont enjambant les barreaux 3, 7 et 8, et ainsi de suite si le filtre comporte un plus grand nombre de réso mateurs.On verra, en référence avec les figures 9 et 10 qu'il est avantageux que le pont enjambe un nombre de barreaux supérieur à 1. La figure 2 représente une variante de réalisation d'un filtre selon l'invention dans laquelle le pont enjambe un nombre pair de résonateurs ctest-à-dire un filtre correspondant à la deuxième li gne au tableau ci-dessus; les éléments identiques sur les figures 1 et 2 portent les mimes numéros de référence. On retrouve la même souplesse de réalisation du pont entre résonateurs séparés par un nombre quelconque de résonateurs. On voit que le pont 21, disposé parallèlement au coupleur 13, réunit deux résonateurs appartenant chacun à un plan différente La longueur mécanique du pont .21 est égale à celle du coupleur par suite de la distribution des barreaux dans deux plans parallèles. Le rayon du pqnt 9, défini comme il est expliqué plus loin, est fonction de la fréquence du pôle et la valeur i1mérique obtenue est inférieure à celle du rayon d'un coupleur. Comme pont et cou pleur vibrent suivant le meme mode de flexion les longueurs méca niques assurant la résonance sont différentes0 Pratiquement on choisit pour ces deux éléments la longueur de résonance du pont, le coupleur 13 est alors plùs court que ;;/4 0 Comme dans la réalisation précédente, ce type de filtre est prévu pour fonctionner en mode longitudinal en ce qui concerne les résonateurs et en mode flexion en ce qui concerne les coupleurs, le pont n'étant qu'un coupleur partieulier. Il est bien évident que le pont 21 pourrait être disposé entre les résonateurs 1 et 9 et ainsi enjambant quatre-résonateurs au lieu de deux comme il est représenté sur la figure. lie rayon r20 du pont est fonction de la fréquence fp du pâle; on exprime cette dernière par rapport à la largeur de bande du filtre (cfo figure 3) de fréquence centrale f0 par l'expression: r20 = r c F(#fp / f0) où Llfp = j fp - fo N fO = demi largeur de la bande transmise et r c est le rayon des coupleurs 12, 13, 14, etc... La fonction F ( Af / A f ) est explicitée plus loin.Cette équation corres p o pond à une structure dans laquelle les coupleurs et le pont vibrent suivant un même mode0 Sur r la figure 4, on a représenté schématiquement une structure de filtre dans laquelle les résonateurs 1, 2, 3, etc... vibrent en flexion suivant la direction représentée par la flèche 30. Ils sont couplés par des éléments 11, 12, etc.. vibrant longitudinalement à l'exclusion du coupleur 23 assurant le couplage entre des barreaux appartenant à deux plans différents. Ce coupleur est prévu vibrant en flexion. On a figuré en 24 le pont réunissant les barreaux 2 et 8 comme dans la figure 2. Il est constitué d'une façon identique à celle du coupleur 23 mais a une longueur correspondant à A/4 . Il enjambe deux barreaux. La figure 5 est une variante de la figure 4 dans laquelle les résonateurs vibrent en flexion. lies coupleurs 11, 12, 14, 15, etc.. vibrent suivant le mode longitudinal. lies coupleurs 25 et 26 vibrent suivant un mode complexe comportant une composante principale longitudinale à laquelle s1 ajoute une faible composante de flexion. Le pont 24 enjambe un nombre impair de barreaux et vibre en flexion comme dans les exemples précédents. La figure 6 représente un filtre où les résonateurs vibrent en flexion suivant la direction représentée par la flèche 31 et les coupleurs 11, 12, 14, etc.. vibrent également en flexion. Le coupleur 23 et le ont 24 vibrent suivant le mode longitudinal, ls ont une longueur acoustique Se #/4. lia figure 7 prévoit un pont aui enjambe un nombre impair de barreau, la structure du filtre étant analogue à celle de la figure 6. I les coupleurs 25 et 26 v brent suivait un mode complexe comportant une composante de flexion et une composante de mode longitudinal La figure 8 représente la caractéristique d'un filtre à treize barreaux selon l'art antérieur conçu pour transmettre les fréquences comprises entre 128,5 et 131,5 KHz, la fréquence centrale étant à 130 Enz. Ce filtre est essentiellement constitué de barreaux #/2 vibrant suivant le mode longitudinal reliés entre eux par des coupleurs vibrant en flexion d'une longueur égale à Â/4. Tous les barreaux sont disposés dans un mime plan parallèlement les uns aux autres. Les figures 9 et 10 représentent les caractéristiques de deux variantes de filtre selon l'invention (cf. figure 1) réalisées à l'aide des mêmes résonateurs et des mêmes coupleurs que le filtre ci-dessus. Conformément à l'inventîçn, il est prévu de disposer les résonateurs dans deux plans parallèles distants d'une valeur d déterminée comme il est explicité plus loin. Cette valeur est inférieure au quart de la longueur d'onde. Les étages du filtre comportent respectivement 6 et 7 résonateurs. suivant une caractéristique préférée de l'invention, les points de connexion du pont avec les barreaux sont situés aux noeuds B (figure 1) des modes parasites de vibration des barreaux les plus proches de la bande passante. Dans l'exemple il s'agit du mode de flexion. La caractéristique de la figure 9 est obtenue en ajoutant à cette structure un pont disposé entre les barreaux 3 et 8 ainsi qu'il est figuré dans les schémas situés au-dessus de la courbe caractéristique. Le pont est constitué par une tige de 0,8 mm de aiamètre et de 1,9 mm de long réalisée en Blinvar comme les autres constituants du filtre. Ainsi qu'il apparait, la caractéristique le ce filtre est légèrement moins nonne aux fréquences supérieures le la bande passante, que la caractéristioue du filtre témoin représentée sur la figure 8.Comme prévu, la caractéristique présente une atténuation très importante - une fréquence supérieure à la bande, en l'occurrence 131,825 KHz. la caractéristique de la figure 10 représente celle d'un filtre comportant les mêmes résonateurs et les mêmes coupleurs que ci-dessus, le ont étant prévu entre les résonateurs 2 et 9. Il est constitué par une tige de 0,5 mm. de diamètre et de 1,5 min. de long réalisée en Elinvar. Ainsi qu'il appairait, la caractéristique de transmission dans la bande passante est aussi bonne que dans le cas du filtre témoin. Slle présente, en outre, comme recherché, un maximum d'atténuation à la fréquence de 131,825 KEz. L'atténuation à cette fréquence est supérieure à 90 dB alors que l'atténuation à la même fréquence du filtre témoin reste inférieure à 50 d3. La comparaison des courbes 9 et 10 montre qu'il est avantageux que le pont enjambe un nombre de résonateurs supérieur au nombre minimal. Cet avantage est indépendant du type de filtre considéré (mode de vibration des éléments, parité du nombre des résonateurs enjambés, etc..). Il trouve une justification théoriaue qui peut être résumée de la façon suivante.On peut montrer par le calcul appliqué à une structure de filtre du type représenté sur la figure 1, que l'on a (Y étant les mobilités mécaniques, c du coupleur, et Y du pont) p Yp = K1 / (2rp) 5/2 où K1 est une constante du matériau et r le rayon au pont Yp1 2#fp = (1) Y #f c en reprenant les notations précédemment définies, lorsaue le pont enjambe un résonateur.Lorsqu'il enjambe trois résonateurs, l'équa- tion devient Pî f o È(É0{-î} (2) c On voit que (2) conduit à Yp37 Yp1 dès que P > 0,8660 Dans le cas d'un pôle de fréquence supérieure à la bande transmise Plus Yp est grand, plus son rayon rp est petit et plus le rayon est petit, moins il agit sur la mobilité apparente du barreau lui-m8me, c'est-à-dire moins il modifie la bande passante initiale. S'agissant de déterminer les éléments constitutifs d'un filtre de fréquence centrale fO, de bande passante fO + # #fo et de pôle f donnés on procède comme suit pour choisir les paramè- p tres du pont. On calcule à l'aide des équations (1) ot (2) la mobilité Y du pont. On en déduit le rayon du pont ( r20 ci-dessus) à l'ai p de des équations fondamentales0 Un tel calcul est notamment fait dans l'article publié dans Câbles et Transmissions numéro d'Octobre 1974, par Messieurs PRUCHE et ERnYEI - pages 328 à 366 intitulé "Vibration des barreaux homogènes en régime harmonique" . Le pont est ainsi défini. De même la distance d entre les plans occupés par les résonateurs. Selon une extension de l'invention, il est prévu de compenser le couplage parasite capacitif (représenté en 33 sur la figure 11) entre les transducteurs d'entrée 16 et de sortie 17 qui résulte de leur rapprochement, dû à à la-disposition des barreaux I'i-ant deux plans parallèles, par une disposition électrique provoquant la mise sous tension des moitiés opposées (représentées nachurées) des barreaux extrêmes I et II ainsi qu'il est représenté sur la figure 12. lies moitiés des barreaux non hachurées sont connectées à la face du transducteur maintenue au potentiel de la masse. En augmentant la distance entre les éléments entre lesquels existe une différence de potentiel, on minimise le couplage capacitif. Une réalisation rréIérée du filtre prévoit une fixation des deux plans des barreaux dans un boîtier 40 par un matériau très souple, par exemple du silastène (figure 13) dort une partie inférieure 41 forure un bloc pourvu de trous dans lesquels on glisse la rangée inférieure des résonateurs 7, 8, 9. La rangée supérieure est tenue par le c8té supérieur du bloc et une autre plaque de silastène 42, laquelle est collée contre la partie supérieure du boîtier 40. Le silastène serre les résonateurs seulement au noeud de vibration, par exemple au centre dans le cas présent; il est profile en 43 dans ce but. lies exemples précédents concernent des filtres dont la caractéristique présente un pôle unique Il est bien entendu que si l'on desire obtenir plusieurs pôles, il faudra utiliser plusieurs ponts; la réalisation de chaque pont est assurée à partir des considérations ci-dessus. R E V E N D I C A T I O N S 1. Filtre électromécanique dont lu caractéristique présente au moins un pole au voisinage et à l'extérieur de la bande transmise, constitué par un ensemble de résonateurs interconnectés à l'aide de coupleurs et de deux transducteurs électromécaniques et d'au moins un coupleur suplémentaire établi entre résonateurs non adjacents caractérisé en ce que lesdits résonateurs sont constitués de barreaux dont les axes disposés parallèlement à une direction commune sont situés dans au moins deux plans distincts et ledit ou lesdits couplages supplémentaires entre barreaux non ad adjacents sont effectués entre barreaux appartenant à deux plans différents. 2. Filtre électromécanique selon revendication 1 dans lequel les barreaux sont disposés parallèlement les uns aux autres dans deux plans distants de moins de A /4 où A est la longueur d'onde du coupleur le plus court. 3. Filtre électromécanique selon revendication 1 dans lequel les résonateurs vibrent sllivant le mode longitudinal, lesdits coupleurs et lesdits coupleurs supplémentaires vibrant suivant le mode de flexion et étant de longueur au plus égale à un quart de la longueur d'onde acoustique dans ce mode. 40 Filtre électrome'canque selon revendication 1 dans lequel les résonateurs vibrent en flexion, les coupleurs vibrent longitudinalement à l'exclusion des coupleurs réunissant deux bar revaux dont les axes appartiennent à des plans parallèles distincts qui vibrent en flexion. 5. Filtre électromécanique selon revendication 7 dans lequel les résonateurs et les coupleurs vibrent en flexion à l'ex- clusion des coupleurs réunissant deux barreaux dont les axes appartiennent à deux plans parallèles distincts qui vibrent longitudinalement. 6. Filtre électromécanique selon revendication 1 dans lequel lesdits coupleurs supplémentaires entre barreaux non adjacents sont connectés aux résonateurs en des noeuds ces modes de vibration parasite les plus voisins en fréquence de la bande à transmettre. 7. Filtre électromécanique selon revendication 1 dans lequel lesdits coupleurs réunissent des barreaux non adjacents séparé par plus de un barreau. 8. Filtre électromécanique selon revendication 2 dans lequel les résonateurs sont disrosés dans deux plans parallèles, parallèlement à une même direction. 9. Filtre électromécanique selon revendication 3 dans lequel les paramètres des coupleurs supplémentaires sont définis par: Yp = (k1 /2r)2/5 Yp 2#fp = @ @@ o OÙ 1 = longueur du coupleur À = longueur d'onde du coupleur vibrant en flexion r = rayon du coupleur #fp = |fo - fp| où fo est la fréquence centrale du filtre et fp est la fréquence du pôle #fo = moitié de la bande de fréquence transmise par le filtre. Y = mobilité mécanique d'un coupleur entre résonateurs adia c = mobilité mécanique dTun coupleur entre résonateurs adja cents. p = mobilité mécanique des coupleurs supplémentaires k et k1 = constantes du matériau constituant le coupleur. tO. Filtre électromécanique selon revendication 3 dans lequel les paramètres das coupleurs supplémentaires sont définis par: où 1 = longueur du coupleur ss = longueur d'onde du coupleur vibrant en flexion r = rayon du coupleur Afp = |fo f fp| où f0 est la fréquence centrale du filtre et fp est la fréquence du pôle f0 = moitié de la bande de fréquence transmise par le filtre. Yc = mobilité mécanique dgun coupleur entre résonateurs adjacents. Yp = mobilité mécanique des coupleurs supplémentaires. k et k1 sont des constantes du matériau constituant le coupleur. 11. Filtre électromécanique selon revendication 8 dans lequel les circuits d'excitation des transducteurs sont connectés de façon que les portions de résonateurs entre lesquelles s'établit une différence de potentiel soient à la distance maximale.