Brevet FR2504326A1 — publié le 19821022

Filtre électromécanique passe-bande à résonateurs couplés La présente invention a pour objet un filtre électromécanique passe-bande comportant au moins deux réso- nateurs mécaniques couplés ayant des fréquences de résonance déterminées On sait que les filtres mécaniques ont des caractéristiques qui rendent leur emploi particulièrement intéressant, en particulier un coût modéré en cas de fabri- cation en grande série, une bonne sélectivité et un carac- tère passif qui se traduit par une absence complète de consommation. Les filtres électromécaniques passe-bande sont généralement constitués de résonateurs reliés Dar des coupleurs métalliques Les résonateurs, eux-mêmes métal- liques, sont associés à des organes de conversion électro- mécanique, qui sont par exemple des transducteurs piézo- électriques ou piézomagnétiques On pourra se reporter aux brevets français publiés sous les numéros 2 175 314 et 2 258 050, ainsi qu'aux certificats d'addition au premier brevet, pour trouver des exemples de filtres de ce genre ayant des caractéristiques particulièrement favorables. On peut toutefois reprocher aux filtres électro- mécaniques connus un certain nombre de défauts Dans ces filtres connus, les résonateurs sont reliés par des cou- pleurs solides fixés par divers procédés, tels que soudure, brasure ou collage, qui modifient les caractéristiques des résonateurs, ajustées avant assemblage, dans une mesure difficile à contrôler De plus, la présence d'un milieu gazeux ambiant entraîne des écarts du fonctionnement de la structure mécanique du filtre par rapport à son modèle théorique, de sorte qu'il est difficile de réaliser un filtre répondant exactement à des caractéristiques fixées à l'avance. La présente invention vise à fournir un filtre électromécanique répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il écarte dans une large mesure les inconvénients cidessus et évite les inconvénients liés à la présence de coupleurs solidarisés des résonateurs et l'incidence de la contri- bution relative des coupleurs et de l'atmosphère ambiante. 2 - Dans ce but, l'invention propose notamment un filtre électromécanique passe-bande comportant au moins deux résonateurs mécaniques couplés ayant des fréquences de résonance déterminées, l'un des résonateurs étant muni de s moyens permettant de l'exciter à partir du signal à filtrer et un autre résonateur étant muni de moyens pour fournir un signal électrique de sortie fonction de l'intensité de ses oscillations, filtre caractérisé en ce que le couplage prépondérant entre les résonateurs est effectué par un fluide séparant des faces en regard desdits résonateurs. Les faces en regard sont généralement parallèles. Lorsqu'on cherche à obtenir un couplage important, on adoptera le plus souvent une distance entre les résonateurs aussi faible que possible dans la mesure compatible avec les impératifs de fonctionnement Mais, dans d'autres cas, notamment si on utilise un liquide de couplage, on peut être amené à adopter une distance nettement plus importante, qu'il peut être souhaitable de choisir voisine de ( 2 n-1) X/4, X étant la longueur d'onde dans le fluide de couplage pour une fréquence comprise dans la bande et N étant un nombre entier. On donnera fréquemment aux différents résonateurs des fréquences différentes, pour les mêmes raisons que celles qui font adopter ce choix dans les filtres électro- mécaniques déjà connus Dans certains cas, on peut cepen- dant être amené à donner la même fréquence à deux résonateurs ou davantage, surtout lorsque le filtre comporte un nombre de résonateurs supérieur à 2, ce qui est le cas le plus fréquent. On voit que l'invention utilise un phénomène qui jusqu'à présent était considéré comme parasite La réali- sation matérielle du filtre devra évidemment être telle que les transmissions d'énergie vibratoire par d'autres voies que le couplage assuré par l'air soient minimisées Ceci doit être le cas, particulièrement en ce qui concerne la transmission d'énergie par les supports Dans des cas particuliers, on pourra cependant utiliser, complémentaire- ment, un couplage mécanique classique entre certains résonateurs du filtre pour introduire dans la réponse des è 504326 3 - pointes d'affaiblissement infini. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisa- tion, donnés à titre d'exemples non limitatifs La descrip- tion se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: la Figure 1 est un schéma de principe d'un filtre constituant un premier mode de réalisation, montré en coupe dont la Fig l A montre un exemple de courbe de réponse la Figure 2 est une vue à grande échelle montrant un détail de la Figure 1; la Figure 3 est un schéma à grande échelle montrant une variante des Figures 1 et 2; la Figure 4 montre schématiquement un filtre constituant un autre mode de réalisation de l'invention, en perspective; les Figures 5 et 6 sont respectivement un schéma en perspective et un schéma électrique d'un filtre consti- tuant un autre mode encore de réalisation de l'invention; les Figures 7 et 8 montrent schématiquement deux dispositifs constituant deux autres variantes encore; la Figure 9 est un schéma faisant apparaître le mode de vibration des résonateurs du dispositif de la Figure 8. Dans tous les modes de réalisation qui seront maintenant décrits, le filtre suivant l'invention peut être regardé comme comportant un résonateur d'entrée 14, associé à un transducteur d'entrée 16 qui reçoit le signal à filtrer et excite la vibration du résonateur 14, et un résonateur de sortie 15 muni d'un transducteur 17 fournissant le signal de sortie filtré Des résonateurs supplémentaires peuvent être interposés entre les résonateurs d'entrée et de sortie 14 et 15 Le couplage entre résonateurs successifs est assuré par le fluide qui occupe au moins une fraction de l'espace séparant deux parois ou faces en regard de ces résonateurs Les moyens permettant de retenir les résona- teurs en place doivent évidemment être choisis de façon à minimiser les couplages par voie autre que les ondes dans le fluide. Chaque résonateur est en un ou plusieurs maté- 4 - riaux choisis en tenant compte des impératifs particuliers à respecter pour une application donnée, par exemple une fréquence de résonance très stable ou une surtension élevée On choisira en général le mode de vibration et la s géométrie du résonateur pour avoir un transfert d'énergie élevé entre fluide et résonateur et/ou pour limiter le rayonnement latéral. Les transducteurs 16 et 17 seront avantageusement choisis d'un type assurant un bon rendement de conversion. On peut notamment utiliser des transducteurs à effet piézo- électrique, électrostrictif, piézomagnétique ou magnéto- strictif Si les transducteurs sont à excitation piézo- électrique, on pourra les constituer, en totalité ou en partie, d'un solide présentant l'effet piézoélectrique, tel que quartz, tantalate de lithium, niobate de lithium ou combinaison de ces matériaux Des moyens d'adaptation d'impédance pourront être prévus entre les transducteurs 16 et 17 et les lignes de transmission de signal auxquelles ils se raccordent. Le mode de réalisation de l'invention illustré en figure 1 utilise des résonateurs à vibrations transversales, placés dans une enceinte 13 occupée par le fluide de cou- plage Les résonateurs 14 et 15 ont la même constitution et sont associés à des transducteurs 16 et 17 de même type. Le résonateur 14 par exemple (figure 2) est constitué par un disque d'alliage métallique, tel que l'alliage "DURINVAL C" des Aciéries d'Imphy Le transducteur associé 16 est constitué par un disque 21 de céramique piézoélectrique de plus faible diamètre, relié mécaniquement et électriquement à une face du disque 14 Par un choix approprié de la céramique et un traitement thermique de l'alliage, on peut réduire la dérive thermique en fréquence du résonateur à une valeur très faible, de quelques 10-6/OC Les électrodes d'excitation du transducteur 16 sont constituées de couches métalliques minces déposées sur les faces opposées du matériau céramique piézoélectrique Une de ces électrodes est en contact avec le disque métallique formant résonateur, dont elle est solidarisée par collage ou soudure L'autre s 504326 - électrode 16 est reliée par un conducteur fin et souple à la ligne d'entrée. Les résonateurs 14 et 15 sont portés par un support 24, par l'intermédiaire de moyens prévus pour éviter de constituer un couplage mécanique et pour ne pas gêner la vibration des résonateurs en flexion Dans le mode de réalisation des figures 1 et 2, les moyens de fixation comportent des tiges 25 solidaires du support et prenant appui sur le résonateur 14 en des points répartis le long d'un cercle nodal de ce dernier Des encoches 27 sont avantageusement ménagées dans les résonateurs pour recevoir la partie terminale des tiges 25 et des vis 26. Les connexions électriques nécessaires sont, d'une part, constituées par le support 24 mis à la masse et, d'autre part, par les fils fins reliant les lignes d'entrée et de sortie aux électrodes correspondantes des transducteurs 16 et 17. Le mode de réalisation de la figure 1 comporte des résonateurs supplémentaires, au nombre de deux, interposés entre les résonateurs 15 et 16 Ces résonateurs 18 et 19 sont maintenus en place par des entretoises 20 reliées entre elles, qui fixent l'écartement entre réso- nateurs successifs, s'appuyant sur ces résonateurs en des points répartis sur un cercle nodal Des encoches supplé- mentaires sont avantageusement prévues dans les résonateurs pour recevoir ces aiguilles Dans la variante de réalisa- tion illustrée en figure 3, o les organes correspondant à ceux de la figure 1 portent le même numéro de référence, les aiguilles sont remplacées par des billes 20 ', par exemple au nombre de trois situées en des points espacés de 1200 Cette dernière solution est particulièrement intéressante dans le cas o on cherche à maintenir une distance faible entre deux résonateurs adjacents. Le filtre montré en figure 1 utilise des réso- nateurs couplés uniquement par le fluide dans lequel ils baignent Mais on peut également réaliser un filtre com- prenant, d'une part, des résonateurs couplés par fluide, d'autre part, des résonateurs couplés par des organes d'autre type, de façon à obtenir une caractéristique 6 - globale de filtrage particulière, notamment un affaiblissement infini pour des fréquences qui restent finies La courbe de de réponse (affaiblissement en amplitude en fonction de la fréquence) illustrée à titre d'exemple en Figure 1 A corres- pond à un filtre à deux résonateurs, séparés par une lame d'air de 1 mm. On voit que l'invention permet de réaliser un filtre robuste, facile à assembler et à régler, de prix de revient bas, trouvant de nombreux domaines d'application, notamment en télécommunication. L'invention est par ailleurs susceptible de nombreux modes de réalisation Celui qui est représenté en Figure 4 comporte deux résonateurs 14 et 15 seulement Ces résona- teurs sont constitués par deux barreaux vibrant en mode de flexion, situés à faible distance l'un de l'autre et couplés par le fluide qui est contenu dans une enceinte non repré- sentée A titre d'exemple, on peut réaliser un filtre à partir de barreaux de 30 x 5 x 0,6 mm pour réaliser un filtre destiné à assurer un filtrage dans la bande 10 k Hz à 10,5 k Hz. Chaque barreau peut être porté par deux tiges 30 soudées sur un support 31 et reliées au barreau correspondant en de S zones nodales de celui-ci Le support 31 peut être une carte de circuit imprimé portant une plage 32 de liaison à la masse et des pistes, telles que 33, de raccordement aux lignes d'entrée et de sortie Chaque résonateur peut être de type bimorphe comportant soit deux lames de céramique piézo- électrique, soit une lame en alliage métallique 22 soli- darisée d'une lame céramique 21 dont les deux faces opposées métallisées constituent électrodes Dans le premier cas, les polarisations des lames sont opposées de façon que, lors de l'excitation par un champ alternatif dû à l'application de la tension d'entrée sur les électrodes extérieures, on obtienne une vibration en flexion Si des résonateurs inter- médiaires sont prévus, ils peuvent être fixés de la même façon que les résonateurs 14 et 15, mais ils ne comportent que la lame 22. Dans le mode de réalisation montré en figures S et 6, le filtre comprend deux résonateurs à quartz 14 et 15 de constitution classique, d'un type fréquemment utilisé pour 7 - des fréquences allant de quelques k Hz à 50 k Hz environ Le mode de vibration de ces résonateurs est la flexion longueur- largeur Le couplage est assuré par des faces perpendicu- laires au déplacement principal de flexion Chaque résonateur porte deux demi-électrodes supérieures et deux demi-électrodes inférieures reliées a des tiges support 30 d'amenée de cou- rant, comme indiqué schématiquement sur la figure 6 L'avan- tage de ce type de résonateur est de donner une surtension élevée, de quelques 10 et d'avoir une grande insensibilité aux effets de la température La même géométrie peut être utilisée en adoptant, comme matériau piézoélectrique, du tantalate de lithium au lieu de quartz. Les résonateurs peuvent être prévus pour vibrer en des modes autres que de flexion A titre d'exemple, la figure 7 montre un filtre comportant deux résonateurs 14 et 15 cons- titués chacun par un disque de matériau piézoélectrique (par exemple céramique piézoélectrique ou niobate de lithium ) fixé entre deux blocs 36 d'alliage métallique Chaque résonateur 14 ou 15 est fixé à un support non représenté par au moins deux tiges 40 solidarisées du disque 35 Le couplage s'effectue alors en bout, le résonateur pouvant avoir une section droite quelconque, par exemple cylindrique comme indiqué sur la figure 7. Le filtre de la figure 7 peut être simplifié, chaque résonateur se limitant à un barreau de matériau piézoélectri- que dont les deux faces opposées sont métallisées L'une des faces de la céramique est alors mise à la masse, tandis que l'autre est reliée soit à la ligne d'entrée, soit à la ligne de sortie. On voit que, là encore, les faces en regard des réso- nateurs 14 et 15 sont portées au même potentiel (potentiel de masse) ce qui évite tout couplage électrostatique. Comme dans les modes de réalisation précédents, des résonateurs intermédiaires peuvent être intercalés entre les résonateurs 14 et 15 Ils sont alors montés dans le boîtier qui contient les résonateurs terminaux 14 et 15 par des tiges supplémentaires 40. Dans le mode de réalisation montré en figure 8, les résonateurs 14 et 15 sont d'un type connu vibrant en mode 8 - de cisaillement plan Ces résonateurs sont par exemple constitués de plaques de matériau piézoélectrique, tel que le quartz, revêtues sur deux faces opposées, transversales aux faces en regard des résonateurs, de couches métalliques 41 constituant électrodes Les déformations de chaque plaque sont alors du type représenté, sous forme très accentuée, sur la figure 9 Sur ces électrodes sont fixées, en un point nodal, les tiges de montage des plaques dans un boî- tier non représenté Des plaques résonantes, non reliées aux lignes d'entrée et de sortie, peuvent être intercalées entre les précédentes pour constituer des résonateurs sup- plémentaires. Dans la plupart des cas, le fluide de couplage sera un gaz; bien que l'utilisation d'un gaz lourd, tel qu'un "fréon" puisse être avantageuse pour élargir la bande passante, on choisira fréquenmuent l'air il la pression atmosphérique, qui permet d'éviter un boîtier étanche sans inconvénient sérieux: en effet, les variations naturelles de la pression atmosphérique n'intro- duisent que de faibles variations d'atténuation. L'utilisation d'un liquide comme fluide de couplage peut toutefois être avantageuse,notamment pour coupler par visco- sité des résonateurs vibrant selon un mode à caractère transverse, avec amortissement, et pour coupler par une faible quantité de fluide des résonateurs: on dispose alors d'un paramètre supplémentaire, constitué par cette quantité, qui permet un réglage du couplage. L'invention ne se limite pas aux modes particuliers de réalisation qui ont été représentés et décrits à titre d'exemples et il doit être entendu que la portée du présent brevet s'étend à toute variante restant dans le cadre des équivalences. -9- Revendications 1 Filtre électromécanique passe-bande comportant au moins deux résonateurs mécaniques ( 14, 15) couplés ayant des fréquences de résonance égales, l'un des résonateurs étant muni de moyens permettant de l'exciter à partir du signal à filtrer et,un autre,de moyens pour fournir un signal électrique de sortie fonction de l'intensité des oscillations, caractérisé en ce que le couplage prépondé- rant entre les résonateurs est effectué par un fluide sépa- rant des faces en regard desdits résonateurs. 2 Filtre suivant la revendication 1, caractérisé en ce que deux au moins des résonateurs ont des fréquences différentes de résonance. 3 Filtre suivant la revendication 1 ou 2, caracté- risé en ce que les résonateurs ( 14, 15) sont d'un type à vibrations transversales, le transfert d'énergie ayant alors lieu par effet de viscosité, ou d'un type à vibrations longitudinales, imposant des oscillations de compression et d'expansion au fluide. 4 Filtre suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'excitation et de fourniture d'un signal électrique de sortie sont des transducteurs à effet magnétostrictif, électrostrictif, piézoélectrique ou piézomagnétique. 5 Filtre suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites faces des résonateurs sont parallèles et à distance faible par rapport aux longueurs d'onde, dans le fluide de couplage, corres- pondant à la bande. 6 Filtre suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdites faces sont parallèles et séparées par une distance voisine de ( 2 n-1) X/4, X étant la longueur d'onde dans le fluide de couplage correspondant à une fréquence à l'intérieur de la bande et N étant un nombre entier. 7 Filtre suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les résonateurs sont por- tés par un support commun, par l'intermédiaire de moyens qui n'introduisent pas de couplage mécanique prépondérant ? 504326 - comparé au couplage par le fluide. 8 Filtre suivant l'une quelconque des revendi- cations 1 à 4, caractérisé en ce que les résonateurs, du type à vibrations transversales, sont constitués par des plaques ou disques métalliques parallèles, supportés par des moyens répartis le long d'une ligne nodale des réso- nateurs. 9 Filtre suivant la revendication 8, caracté- risé en ce que les moyens supportant les résonateurs comportent des tiges reliant les résonateurs munis de moyens d'excitation et de fourniture de signal électrique à un support commun et des entretoises situées entre les faces en regard des résonateurs successifs et fixant la distance entre faces en regard desdits résonateurs. 10 Filtre suivant l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que les résonateurs sont enfermés dans un boîtier étanche contenant le fluide de couplage.