Brevet FR2495844A1 — publié le 19820611

Filtre passe-bande accordable sur un nombre prédéterminé de fréquences discrètes réparties dans une large bande de fréquences. La présente invention a pour objet un filtre passe-bande accordable sur un nombre prédéterminé de fréquences discrètes réparties dans une large bande de fréquences, comprenant au moins une cavité résonnan- te coaxiale définie par un conducteur externe et un con- ducteur interne. On connait déjà de nombreux exemples de filtres passe-bande réalisés à partir d'au moins une ca- vité résonnante constituée par une ligne coaxiale compre- nant un conducteur interne et un conducteur externe et terminée par un court-circuit, des moyens de couplage d'entrée ou sortie étant associés à la cavité. Généralement, la bande passante d'un tel filtre est très étroite et les moyens d'accord sur une fréquence déterminée de cette bande passante sont cons- titués par des moyens mécaniques de réglage. On a également réalisé des filtres pas- se-bande hyperfréquencesconstitués par une seule ligne coaxiale divisée en plusieurs cavités résonnantes adja- centes séparées par des organes de couplage tels que des pistons, un dispositif d'accord étant prévu pour chaque résonateur el un dispositif de réglage de coupla- ge étant associé a chaque organe de couplage entre deux cavités résonnantes successives. Un tel type de filtre peut ainsi cons- tituer un élément standard pouvant être adapté à des fréquences légèrement différentes dans une bande de fré- quences, par des réglages manuels de la position des pistons formant organes de couplage par exemple, ou par action sur d'autres paramètres de la géométrie du sys- tème. On connait également des filtres hyper- 3 5 fréquences a tiges à accord réglable comportant des tron- çons de guide d'onde divisés en plusieurs résonateurs adjacents par des rideaux de tiges conductrices et com- portant un dispositif mécanique d'accord pour chaque résonateur tel qu'un bâtonnet de diélectrique à position réglable et un dispositif de réglage de couplage pour chaque rideau de tiges, tel qu'une vis métallique. Avec un tel filtre, ii est possible d'ajuster de l'extérieur les caractéristiques d'un élé- ment standard, par action manuelle sur des éléments mé- caniques de réglage, et d'adapter ainsi la bande passan- te à un canal prédéterminé à l'intérieur d'une plage de fréquences. Toutefois, il n'est pas possible de réali- ser, en cours de fonctionnement, la modification des caractéristiques du filtre pour effectuer le passage instantané d'une fréquence discrète a une autre fréquen- ce discrète définie à l'intérieur d'une large bande de frégquences d'une ou plusieurs octaves. La présente invention vise précisément a perrettre de ealiser un filtre passe-bande, essentiel- ievent consti;:ué per une cai t6 coai-ale, dont l'accord pratiquement instantané est possible pour un certain nch.--re de fréquences îiscrntes réparties dans une large bande de frqcuences. leon'invention, un filtre passe-barnde coaxial est ainsi essentiellement caractérisée en ce qu'au moins l'un des conducteurs interne et externe de la cavité cearia!e est divisé en sections séparées par des ocupurs ccrstituées par es fentes annulaires dont I 'piusseUr est très faible par rapport à la longueur d'ondce corresrondant à la fréquence moyenne de la bande passante ôt en ce que chaque section comprend au moins un élément réactif d'accord et au moins un élément com- mutateur disposé au voisinage de la coupure de la sec- tion correspondante pour sélectivement court-circuiter cette coupure ou réaliser l' i n s e r t i o n de l'élément réactif d'accord de la section correspon- dante en réponse à des moyens électroniques de commande. Chaque élément réactif d'accord est constitué par une portion de ligne coaxiale ouverte ou court-circuitée réalisée dans une section de conducteur interne ou de conducteur externe. Les cavités de révolution ménagées dans des sections de conducteur interne ou externe pour réa- liser une ligne coaxiale ouverte ou court-circuitée pré- sentent des dimensions transversales très supérieures à l'épaisseur d'une coupure mais petites par rapport à la longueur d'onde correspondant à la fréquence moyenne de la bande passante. Ainsi, selon la présente invention, grâce à une cavité résonnante coaxiale aux caractéris- tiques géométriques prédéterminées, il est possible de réaliser, sans action manuelle sur des éléments mécani- ques de réglage, un accord quasi instantané de la cavi- té sur une fréquence discrète d'accord choisie parmi un grand nombre de fréquences prédéterminées réparties dans une large bande de fréquence, grâce à une action sélective pour chacun des commutateurs associés aux coupures, qui par une commande en tout ou rien permet- tent la fermeture d'une coupure ou son ouverture avec mise en service de l'élément réactif associé. Il en résulte qu'avec N coupures, le nombre de fréquences dis- crètes pour lesquelles il est possible de réaliser un accord de la cavité résonnante s'élève à 2N, compte tenu des combinaisons possibles des états (ouvert ou fermé) des N coupures.,établis à l'aide des commutateurs associés commandés par les moyens électroniques numé- riques d'accord. De façon avantageuse, pour chaque sec- tion, plusieurs éléments commutateurs alimentés en parallèle sont régulièrement répartis le long de la coupure pour réaliser la mise en court-circuit de ladite coupure ou l'insertion d'un élément réactif. Selon un mode de réalisation, les élé- ments commutateurs sont constitués par des relais élec- tromagnétiques dont les dimensions sont petites vis à vis de la longueur d'onde moyenne de fonctionnement, et qui sont disposés au voisinage immédiat des fentes annu- laires constituant les coupures entre sections. Selon un autre mode de réalisation pré- férentiel, les éléments commutateurs sont constitués par des diodes PIN disposées au voisinage immédiat des fen- tes annulaires constituant les coupures entre sections. La commande des éléments commutateurs est effectuée en courant continu au moyen de fils conduc- teurs isolés découplés de la haute fréquence et incor- porés dans les conducteurs interne ou externe. La réalisation d'un filtre passe-bande selon l'invention est facilitée si les conducteurs in- terne et externe de la cavité coaxiale sont composés d'éléments métalliques superposés vissés les uns dans les autres. -Selon un mode de réalisation particuliè- rement intéressant, les dimensions de la cavité coaxiale, celles des éléments réactifs des N sections et la posi- tion des N coupures sont déterminées pour définir une loi àf approximativement constante, o f désigne l'une f quelconque des 2N fréquences discrètes d'accord obtenues par l'insertion sélective des N éléments réactifs et If représente la moyenne des écarts entre cette fréquence f et les fréquences adjacentes parmi les 2N fréquences possibles. Le filtre passe-bande selon l'invention peut être utilisé dans les applications les plus diver- ses mais est avantageusement appliqué à la connexion à un aérien unique, de plusieurs émetteurs ou récepteurs travaillant sur des fréquences différentes. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui fait suite de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la Fig. 1 est une vue schématique en coupe axiale d'un premier mode de réalisation d'un fil- tre passe-bande selon l'invention, - la Fig.2 est une vue schématique en coupe axiale d'un second mode de réalisation d'un fil- tre passe-bande selon l'invention, et - la Fig 3 est une vue partielle en coupe axiale montrant l'assemblage possible de diffé- rents éléments constitutifs des différentes sections d'un filtre selon l'invention. On se réfèrera d'abord à la figure 1 qui représente la configuration de base d'un filtre passe-bande selon l'invention divisé, à titre d'exemple, en quatre sections Sj à S4. La cavité coaxiale du filtre de la Fig 1 présente un corps ou conducteur externe 1 fermé par un couvercle 2 qui est vissé sur le corps 1. Le conducteur interne 3 est divisé en sections (S1 à S4) séparées par des coupures 11 à 14 ayant la forme de fentes annulaires dont l'épaisseur e est très faible par rapport à la longueur d'onde correspondant à la fréquence moyenne de la bande passante du filtre. Cette configuration est possible si les conducteurs interne 3 et externe 1 sont par exemple réalisés en plusieurs tronçons superposés tels que 301,302,303 ou 101,102, 103 respectivement (Fig 3) vissés les uns dans les autres. Ainsi, une par- tie 101 de conducteur externe peut être reliée à une partie 102 par une liaison à vis 101a, 102b, la partie 102 superposée à une partie 103 étant elle-même reliée à cette dernière par une liaison à vis 102a, 103b. De même, les tronçons 301,302,303 de conducteur interne 3 peuvent être assembles entre eux par des parties 301a, 302b et 302a, 303b vissées les unes dans les autres. Dans ce cas, les positions des plans de joints ne sont déterminees que par des commodités d'usinage et seules interviennent dans le fonctionnement vis à vis des ondes électromagnétiques la localisation des coupures telles que 12,13,12', 13' ainsi que la forme des cavités telles que 22,23, 22',23'. Par suite, sur les figures 1 et 2, on n'a pas représenté les lignes de separation entre les diverses pièces constituant les conducteurs interne 3 et externe 1 de la cavité coaxiale, mais seulement les cou- pures telles que 11 à 14, qui définissent les différen- tes sections S1 à S4. Les conducteurs métalliques externe 1 et iaterne 3 peuvent être réalisés par exemple en laiton. Un cylindre isolant 5, par exemple en polytêtrafluoro- éthyiére qui prend appui sur le couvercle 2, assure le centrage du conducteur interre 3 par rapport au corps 1 tout en exerçant une compression convenable sur les différents tronçons constituant le conducteur interne 3. D'une manière générale, la cavité coa- xiale se comporte comme une ligne quart d'onde à la ré- sonan.e sensiblement pour la fréquence moyenne de la bande passante du filtre. Conne on peut le voir sur la Fig i. chaque section a-- S4 ccmpreni une réactance d'accor 2d in coràcrae dans le conducteur interne 3 et pouvant être mise en service au niveau de la coupu- re correspondante 11 à 14. Une réactance d'accord, peut être constituée par une ligne coaxiale court-circuitée (réactances 22, 23, 24) qui est équivalente à une self inductance ou par une ligne ouverte (réactance 21) qui est équivalente à une capacité. Sur la Fig 1, la ligne coa- xiale ouverte 21, qui constitue la réactance d'accord de la première section SI, est centrée au moyen d'un manchon cylindrique 4 réalisé en un matériau diélectri- que tel que du polytétrafluoroéthylène, et prenant appui sur le fond métallique 6 de la cavité coaxiale qui réa- lise le court-circuit du conducteur externe 1. Les réac- tances d'accord. des deuxième, troisième et quatrième sections S2, S3, S4 sont elles-mêmes constituées par trois portions de lignes coaxiales dans l'air court-cir- cuitées, définies par des cavités annulaires dont les formes et les dimensions peuvent être diverses. Toute- fois, pour que la cavité coaxiale du filtre présente des coefficients de surtension à vide suffisamment éle- vés, il est nécessaire de réduire les pertes des circuits et en particulier celles des lignes de transmission ou- vertes ou court-circuitées dont les impédances d'entrée s'identifient aux réactances d'accord. Les dimensions transversales des cavités 21 à 24 doivent donc présenter des dimensions transversales non négligeables, bien que toujours petites par rapport à la longueur d'onde pour éviter les modes parasites du type TE ou TM. Comme cela sera expliqué plus en détail ci-dessous, au moins un commutateur 31,32,33,34 est as- socié à chaque coupure 11,12,13,14 et permet soit de court-circuiter cette coupure par la fermeture d'un con- tact 41,42,43,44, soit de permettre l'insertion de la réactance d'accord 21,22,23,24 incluse dans la section S1, S2, S3, S4 correspondant à cette coupure. On voit ainsi que la fréquence d'accord effective du filtre dépend de l'état des commutateurs 31 à 34 et peut être choisie parmi un grand nombre de fréquences discrètes même pour un nombre N de coupures relativement réduit, puisque le nombre de fréquences discrètes d'accord pos- sibles dépend de la combinaison des différents états possibles des différentes coupures et vaut ainsi 2N, chaque coupure permettant la mise en service ou non d'une réactance d'accord. La Figure 1 montre un modèle de cavité qui correspond à N = 4 et présente 24 = 1-6 fréquences discrètes d'accord. A titre d'exemple une telle cavité peut fonctionner dans la bande UHF (225 à 400 MHz). Les dimensions de la cavité coaxiale constituant le filtre, la position des coupures 11 à 14 et les dimensions des réactances 21 à 24 peuvent être optimisées pour réaliser une loi Af approximativement f constante, f désignant l'une quelconque des N fréquences d'accord et A f étant la moyenne des écarts entre cette fréquence et les fréquences d'accord adjacentes. A titre d'exemple, on donne ci-dessous des valeurs numériques qui, appliquées à un filtre à quatre sections tel que celui représenté sur la figure 1, permettent d'obtenir une telle loi úif approximati- vement constante: Pour un conducteur interne 3 de rayon a. = 32 mm, un conducteur externe 1 dont le rayon inter- ne vaut bo = 41,1mm, des longueurs de cavité ft = 245,8 mm et P't = 32mm (voir Fig 1), une capacité d'entrée de la ligne coaxiale ouverte (7) ce = 2,91 pF et une capa- cité d'extrémité 8 de laréactance capacitive 21 ramenée à la première coupure 11 de cel = 2,8 pF, le tableau I donne la position d(k) par rapport au fond de la cavité 6 de la coupure de rang "k", les dimensions ak et bk de la réactance d'accord correspondante (c'est-à-dire les rayons des faces coaxiales de la cavité annulaire défi- nissant la réactance d'accord) et la capacité_Cp (k) de la coupure "k" en pF qui permet d'ajuster au mieux les fréquences théoriques et expérimentales. TABLEAU I Le tableau II donne la liste des fréquences discrètes d'accord obtenues avec l'exemple de filtre à quatre sections défini ci-dessus, en fonction de l'état des coupures 11 à 14. La lettre F représente une coupure courtcircuitée fermée tandis que la lettre 0 représente une coupure ouverte assurant l'insertion d'une réactance d'accord. Pour chaque combinaison différente des états des coupures 11 à 14, le tableau II indique en MHz la fréquence théorique Ft, la fréquence Fe obtenue expérimentalement et l'écart Fe - Ft. k 1 2 3 4 2ak (mm) 40,37 27,39 23,19 35,18 2bk (mm) 58 58 58 58 dk (mm) 115 1 59 170 184 Cp(k) 10,29 9,48 6,80 9,90 en pF _ TABLEAU II Fréquences Fréquences Etat des ecopu s - Ettdees théoriques expérimenta- F - Ft 11 -12 Frqnes réecs 1 ' --3 | *14 (MHz) les (MHz) e I.4 _ _. _. I i F F (MHz) F O O' O 226.08 226.2 + 0.12 -Ig............ F |O O F 233.09 233.1 + 0.01 - _ _ _ ____ _ _ _ _____ I_____ ÀF iO0 F 7:O " 240.02 240.0 - 0.02 i I_ _ _ ____ _ _ _ _ _ I_ __._ _. F 0 t F F 247.96 247.9 - 0.06 I -i I. _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _._. _- _ - I F | F O 0 258.36 258.6 + 0.24 _ - _ _ __ _ _ _ F F | O i F 268.53 268.6 + 0.07 F | F F O 278.31 278.6 + 0.29 -., . . - _ _ __ _ _ _ __ _ I __ I F I| F i F i F 289.67. 289.7 + 0.03 O 0 O O 303.95 304.1 + 0.15 1-- O O0 F 314.70 I 314.1 - 0.40 0. JF i 0 324.47 324.9 - + 0.43 I -! _ _ _ O i O 0 F, F 336.19 336.1 0.09 O 0 _352_6_0__7_____ 0 J F t O i C 7353.07 j 352.6 - 0.47 O I F 1 o I1 F g g 368.91 I 1 1 0 i F i F 381.75 i, , I g I 0 I r- 'F ' F J O J F j F F 396.-90 396.9 + 0. 00 - 1 _ _ ! i 369.1 381.9 + O.t9 - 0.25 i il Si la figure 1 montre un exemple de fil- tre à quatre sections Si à S4 et quatre fentes annulai- res formant coupures Il à 14, l'invention prend naturel- lement en compte des filtres de ce type présentant un nombre de sections différent, et présentant ainsi un nombre différent de fréquences d'accord. Ainsi, on a re- présenté sur la Fig. 2 un filtre coaxial comprenant sept coupures Il à 14 et 12' à 14' qui permettent de définir 27 = 128 fréquences discrètes, par exemple dans la même bande de fréquences que celle prise en compte dans l'exemple donné précédemment. La figure 2, comme la figure 3 montrent en outre que les coupures peuvent être réalisées aussi bien dans le conducteur externe 1 que dans le conduc- teur interne 3 de la cavité coaxiale. Par ailleurs, les cavités annulaires 22',23', 24' ménagées dans le conduc- teur externe 1 pour réaliser des lignes coaxiales for- mant les réactances d'accord associées aux coupures 12', 13', 14' respectivement ne sont pas nécessairement iden- tiques à celles (12,13,14) ménagées dans la partie in- terne correspondante du conducteur interne 3. Du reste, les cavités 12',13',14' pourraient également être utili- sées seules, indépendamment des cavités Il à 14 du con- ducteur interne 3, ces dernières restant par exemple court-circuitées. Les commutateurs 31 à 34, 32' à 34' actionnant les contacts 41 à 44, 42' à 44' pour définir l'état ouvert ou fermé d'une coupure 11 à 14, 12' à 14' peuvent être des relais électromagnétiques. On utilise toutefois de préférence des diodes PIN de petites dimen- sions. D'une manière générale, les dimensions des élé- ments de commutation 31 à 34, 32' à 34' doivent être petites vis à vis de la longueur d'onde de fonctionne- ment et ces éléments de commutation doivent être dispo- sés dans la cavité le plus près possible de la fente 12 2495844 annulaire à court-circuiter. La commande des commutateurs (31 à 34, 32' à 34') se fait en courant continu au moyen de conduc- teurs isolés (non représentés) disposés soit dans l'axe de l'élément central 3, soit dans la paroi de l'élément extérieur 1 de la cavité coaxiale du filtre. Un système de découplage des conducteurs alimentés en courant con- tinu, constitué par des condensateurs, permet d'isoler la haute fréquence de l'extérieur. Les commutateurs (31 à 34, 32' à 34') sont de préférence composés chacun d'une pluralité d'éléments régulièrement distribués le long de la coupu- re (11 à 14, 12' à 14') correspondante et alimentés en parallèle. En effet, pour chaque coupure telle que il une pluralité d'éléments de courtcircuits tels que 31, 41 disposés de façon symétrique (par exemple quatre éléments 31,41 répartis à 90 les uns des autres) et alimentés en parallèle assure une meilleure réparti- tion des courants. Les circuits électroniques permettant de déterminer l'alimentation sélective des différents commutateurs 31 à 34, 32' à 34' fixant l'état des coupu- res 11 à 14, 12' à 14' en fonction de la fréquence dis- crète d'accord choisie, peuvent être composés de cir- cuits logiques tout à fait communs. Les liaisons du filtre vers l'entrée et la sortie (émetteur et récepteur) sont également réali- sées de façon classique par des couplages selfiques ou capacitifs. On a représenté à titre d'exemple sur la figure 2 un couplage entrée ou sortie, réalisé par une petite antenne 9 (couplage capacitif) reliée à une em- *base coaxiale 10. Le filtre passe-bande conforme à l'inven- tion permet en particulier d'effectuer la connexion de 13 2495844 plusieurs émetteurs, ou récepteurs travaillant sur des fréquences différentes, à un aérien unique. Le domaine d'application d'un tel filtre est néanmoins beaucoup plus vaste dans le domaine des télécommunications, et une autre application peut résider par exemple dans la suppression de bruits parasites. 14 2495844 REVENDICATIONS 1. Filtre passe-bande accordable sur un nombre prédéterminé de fréquences discrètes réparties dans une large bande de fréquences, comprenant au moins une cavité résonnante coaxiale définie par un conducteur externe (1) et un conducteur interne (3) caractérisé en ce qu'au moins l'un des conducteurs in- terne et externe de la cavité coaxiale est divisé en sections (SI à S4) séparées par des coupures (11 à 14, 12' à 14') constituées par des fentes annulaires dont l'épaisseur est très faible par rapport à la longueur d'onde correspondant à la fréquence moyenne de la bande passante et en ce que chaque section (Si à S4) comprend au moins un élément réactif d'accord (21 à 24, 22' à 24') et au moins un élément commutateur (31 à 34) 32' à 34') disposé au voisinage de la coupure (11 à 14, 12' à 14') de la section correspondante pour sélectivement court- circuiter cette coupure ---------à------------------ ------------ ou réaliser L'insertimn de l'élément réactif d'accord de la section correspondante en réponse à des moyens électroniques de commande. 2. Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque élément réactif (21 à 24, 22' à 24') d'accord est constitué par une portion de ligne coaxiale ouverte (21) ou court-circuitée (22 à 24, 22' à 24') réalisée dans une section de conducteur in- terne ou de conducteur externe. 3. Filtre selon la revendication 2, ca- ractérisé en ce que les cavités de révolution ménagées dans des sections de conducteur interne ou externe pour réaliser une ligne coaxiale ouverte ou court-circuitée présentent des dimensions transversales très supérieures à l'épaisseur d'une coupure, mais petites par rapport à la longueur d'onde correspondant à la fréquence moyen- ne de la bande passante. 2495844 4. Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que pour chaque section plusieurs éléments commutateurs (31 à 34, 32' à 34') alimentés en parallèle sont régulièrement répartis le long de la coupure pour réaliser la mise en court- circuit de ladite coupure (11 à 14, 12' à 14') ou l'in- sertion d'un élément réactif (21 à 24, 22' à 24'). 5. Filtre selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 4, caractérisé en ce que les éléments commutateurs (31 à 34, 32' à 34') sont constitués par des relais électromagnétiques dont les dimensions sont petites vis à vis de la longueur d'onde moyenne de fonc- tionnement, et qui sont disposés au voisinage immédiat des fentes annulaires constituant les coupures entre sections. 6. Filtre selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 5, caractérisé en ce que les éléments commutateurs (31 à 34, 32' à 34') sont constitués par des diodes PIN disposées au voisinage immédiat des fen- tes annulaires constituant les coupures entre sections. 7. Filtre selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 6, caractérisé en ce que la commande des éléments commutateurs (31 à 34, 32' à 34') est effec- tuée en courant continu au moyen de fils conducteurs isolés découplés de la haute fréquence et incorporés dans les conducteurs interne ou externe. 8. Filtre selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 7, caractérisé en ce que les conduc- teurs externe (1) et interne (3) de la cavité coaxiale sont composés d'éléments métalliques (101,102;301,302, 303) superposés vissés les uns dans les autres. 9. Filtre selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 8, caractérisé en ce que les dimensions de la cavité coaxiale, celles des éléments réactifs des N sections et la position des N coupures sont déterminées 16 2495844 pour définir une loi Af approximativement constante, o f désigne l'une quelconque des 2N fréquences dis- crètes d'accord obtenues par l'insertion sélective des N éléments réactifs et Zf représente la moyenne des écarts entre cette fréquence f et les fréquences adja- centes parmi les 2N fréquences possibles. 10. Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il est appli- qué à la connexion à un aérien unique, de plusieurs émet- teurs ou récepteurs travaillant sur des fréquences diffé- rentes.