Brevet FR2499786A1 — publié le 19820813

"FILTRE HYPERFRBQUENCE A LARGE BANDE D'ATTENUATION ET SYSTEME HYPERFREQUENCE COMPORTANT CE FILTRE" La présente invention concerne un filtre hyperfréquence a large bande d'atténuation, réalisé principalement sous la for oe deun circuit en microbandes déposées sur un substrat en céra otique diélectrique. Elle concerne également un système hyperfréquence comportant au moins un circuit d'alimentation de courant continu. D'une façon trés générale, l'invention trouve une application avantageuse dans la réalisation de tout circuit hyperfréquence comportant au moins un composant actif nécessitant une alimentation de courant continu. En effet, 8 chaque fois que, dans un circuit hyperfréquence, une ligne de transmission co. existe avec une alimentation de courant continu placée en paral lêle sur la ligne de transmission, il est indispensable d'isoler ladite ligne par rapport au circuit d'alimentation. Afin de ne pas perdre de puissance hyperfréquence dans le circuit d'ali mentation, celui-ci doit présenter une impédance élevée aux ondes hyperfréquence tout en se comportant comme un courtcircuit pour le courant continu. D'où la nécessité d'incorporer au circuit d'alimentation un filtre atténuant de façon importante le signal hyperfréquence dans une bande de fréquence couvrant au moins la bande d'utilisation du circuit hyperfréquence considéré.A titre d'exemple, la demande de brevet fran çais n 2460049 décrit un filtre hyperfréquence comportant notamment une association particulière d'éléments de filtrage réalisés en microrubans déposés sur un substrat isolant. Cependant, la plupart des filtres hyperfréquence de ce type ne permettent pas d'obtenir une bande d'atténuation de largeur supérieure & la demi-octave, ce qui est tout b fait pénalisant lorsqu'on veut mettre en oeuvre un système hyperfréquence couvrant une bande d'utilisation atteignant ou dépassant l'octave. Le but de la présente invention est de remédier i cet inconvénient. En effet, selon la présente invention, un filtré hyperfréquence & large-bande d'atténuation, réalisé principalement sous la forme d'un circuit en microbandes déposées sur un substrat en céramique diélectrique, est notamment remarquable en ce qu'il est constitué par un premier transformateur du type quart d'onde, d'impédanoe caractéristique ZI, et qui est en quart d'onde exact pour une fréquence Fol située dans la partie médiane de la bande d'atténuation, ce premier transformateur étant suivi d'un deuxième transformateur, également du type quart d'onde, d'impédance caractéristique Z2 inférieure & Z1, et qui est en quart d'onde exact pour une fréquence Fo2 située dans la partie médiane de la bande d'atténuation, ce deuxième transformateur étant luimeAme prolongé par une ligne dont l'impédance varie progressivement depuis une valeur Z3 inférieure & 22, me- surée à l'extr8mité de la ligne située du coté du deuxième transformateur, jusqu'i une valeur Z4 supérieure Q Z3. Comme il est démontré plus loin, cette structure de filtre permet d'obtenir une bande d'atténuation élargie dans laquelle la partie réelle de l'impédance du filtre hyperfréquence selon l'invention conserve une valeur suffisamment élevée pour se comporter comme un circuit ouvert vis- & vis des ondes hyperfréquence. La largeur de la bande d'atténuation du filtre hyperfréquence selon l'invention peut encore être élargie en tenant compte du fait que, comme on le verra plus loin, la partie réelle de l'impédance complexe du filtre selon l'invention diminue aux fréquences extrêmes de la bande d'atténuation, ce phénomène étant dû b la dispersion avec la fréquence de la partie imaginaire de l'impédance complexe dudit filtre. Ainsi, un élargissement sensible de la bande d'atténuation du filtre hyperfréquence conforme & l'invention est rendu possible & condition de limiter la dispersion de la partie imaginaire de l'impédance complexe dudit filtre.La Demanderesse a montré que ce but est atteint lorsque les longueurs respectives li et 12 du premier et du deuxième transformateurs, d'une part, et les impédances Z1, Z2, Z3, d'autre part, sont choisies telles qu'il existe dans la bande d'atténuation deux fréquences F1 et F2 pour lesquelles l'impédance du filtre hyperfréquence prend une méme valeur complexe, de sorte qu'en parcourant successivement toutes les fréquences de bande d'atténuation, le point figuratif de l'impédance complexe R + j X du filtre hyperfréquence décrive dans un diagramme (R,X) une boucle en forme de gamma. Ainsi, en repliant sur elles-mêmes les variations avec la fréquence de la partie imaginaire X, l'invention permet de maintenir la partie réelle R dans une gamme de valeurs suffisamment élevées et ceci dans une large bande de fréquence. Par ailleurs, la Demanderesse a établi que, dans un mode particulier de l'invention pour lequel les fréquences Foi et Fo2 sont voisines, les impédances Z1, Z2, Z3 vérifient l'inégalité Z1 Z2 Z3 Il est entendu que, dans la suite, l'expression "voisines" devra être prise au sens large, c'est-b-dire incluant l'égalité. L'invention concerne également un système hyperfréquence comportant au moins un circuit d'alimentation de courant continu, système pour lequel il est hautement préférable que le circuit d'alimentation présente une impédance élevée au signal hyperfréquence. Ce but est atteint en incorporant le filtre hyperfréquence selon l'invention audit circuit d'alimentation de courant continu. En effet, selon la présente invention, un système hyperfréquence comportant au moins un circuit d'alimentation de courant continu est principalement remarquable en-ce que ledit circuit d'alimentation est muni d'un filtre hyperfréquence å large bande d'atténuation, réalisé principalement sous la forme d'un circuit en microbandes déposées sur un substrat en céramique diélectrique, et constitué par un premier transformateur du type quart d'onde d'impédance caractéristique Z1, et qui est en quart d'onde exact pour une fréquence Fol située dans la partie médiane de la bande d'atténuation, ce premier transformateur étant suivi d'un deuxième transformateur, également du type quart d'onde, d'impédance caractéristique inférieure & Z1, et qui est en quart d'onde exact pour une fréquence Fo2 située dans la partie médiane de la bande d'atténuatison, ce deuxième transformateur étant lui-méme prolongé par une ligne dont l'impédance varie progressivement depuis une valeur Z3 inférieure u , mesurée t l'extrémité de la ligne si tuée du coté du deuxième transformateur, jusqu' une valeur Z4 supérieure & 3. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés i titre d'exemple non limitatif, permettra de bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut étre réalisée. La figure 1 représente un filtre hyperfréquence selon l'invention. La figure 2 est un premier type de diagramme de Smith relatif 9 un filtre hyperfréquence conforme i l'invention. La figure 3 est un deuxième type de diagramme de Smith relatif à un filtre hyperfréquence selon l'invention. La figure 4 est le schéma d'un oscillateur hyperf ré- quence muni d'un circuit d'alimentation de courant continu comportant un filtre hyperfréquence conforme à l'invention. La figure 1 représente un filtre hyperfréquence 11 b large bande d'atténuation, réalisé principalement sous la forme d'un circuit en microbandes déposées sur un substrat 12 en céramique diélectrique. Conformément g l'invention ce filtre 11 est constitué par un premier transformateur 13 du type quart d'onde, dimpédance caractéristique Z1 et qui est en quart d'onde exact pour une fréquence Fol située dans la partie médiane de la bande d'atténuation. Ce premier transformateur 13 est suivi d'un deuxième transformateur 14, également du type quart d'onde, d'impédance caractéristique Z2 inférieur 8 à Z1, et qui est en quart d'onde exact pour une fréquence Fo2 située dans la partie médiane de la bande d'atténuation.Ce deuxième transformateur est lui-même prolongé par une ligne 15 dont l'impédance varie progressivement depuis une valeur Z3 inférieure & Z2, mesurée 9 l'extrêmité 16 de la ligne située du côté du deuxième transformateur 14, jusqu' une valeur Z4 supérieure Z3. En appliquant les résultats de calcul présentés dans la demande de brevet français n 2447111, on trouve que, lorsque l'extrêmité 17 de la ligne 16 est refermée sur une impédance de charge égale b Z4, typiquement 50 ohms, les variations avec la fréquence F de l'impédance complexe R+jX du filtre hyperfréquence il sont régies par l'équation avec g1 = tg 2# 101F et 92 = tg 2n lo2F C C C étant la vitesse de la lumière et lol et lo2 les longueurs dans le vide des transformateurs "quart d'onde" 13 et 14 de la figure 1, les longueurs réelles li et 12 sont reliées à lol et lo2 par la permétivité électrique de la céramique diélectrique.Ainsi, en obligeant la partie réelle R A prendre des valeurs particulières pour certaines fréquences, il est possible grâce t la formule (7) de déterminer un jeu de valeurs pour les paramètres 101,102,Z1,Z2,Z3, tout en veillant cependant ce ce que la largeur réelle li du premier transformateur 13 ne soit pas trop petite, inférieure i loopm 100 m par exemple, ce qui conduirait A des difficultés technologiques de réalisation. Un premier type de diagramme de Smith d'un filtre hyperfréquence conforme & la figure 1 est donné b la figure 2. Sur diagramme, les résistances et les réactances ont été normalisées à 50 ohms. Comme le montre la figure 2, la largeur de la bande d'atténuation du filtre selon l'invention est généralement limitée par le fait qu'aux fréquences extrêmes F min et F max la partie réelle R de l'impédance du filtre décrit de façon pénalisante, ce phénomène étant lié & la dispersion de la partie imaginaire X.C'est pourquoi, dans le but d'augmenter en coré la largeur de la bande d'atténuation, la Demanderesse a montré qu'il était possible de limiter la dispersion de la partie imaginaire X de l'impédance du filtre hyperfréquence selon l'invention en choisissant les longueurs respectives li et 12 des deux transformateurs 13 et 14, d'une part, et les impédances Z1, ZZ, Z3, d'autre part, de sorte qu'il existe dans la bande d'atténuation deux fréquences Fl et F2 pour lesquelles l'impédance du filtre hyperfréquence prend une méme valeur complexe, de sorte quten parcourant successivement toutes les fréquences de la bande d'atténuation, le point figuratif de l'impédance R+jX du filtre hyperfréquence décrive dans un diagramme (R,X) une boucle en forme de gamma. Pour réaliser un diagramme d'impédance en forme de boucle du type de celui représenté & la figure 3, il suffit d'obliger l'impédance R+jX donnée par la formule (1) t passer par un certain nombre de points particuliers du diagramme (R,X). Il est alors possible, par des essais successifs, de déterminer un jeu de valeurs pour les paramètres l1, 12, Z1, Z2, Z3, pour lesquelles le point figuratif de l'impédance R+jX du filtre décrive effectivement une boucle. Dans ce travail, on peut être guidé par les résultats simples auxquels conduit le cas particulier ou les deux transformateurs quart d'onde" sont accordés sur la même fréquence Fo. On a alors lol = 102 = C et, en posant 4Fo g = tg n F 2 Fo la formule (1) s'écrit La partie imaginaire X s'annule par F=Fo (g=OO), la partie réelle valant alors X s'annule également pour soit encore avec Lorsque 1 - est positif, on peut définir deux fréquences &alpha; - ss F1 et F2 données par et F2 = 2 Fo - F1 pour lesquelles la partie imaginaire est simultanément nulle, la partie réelle R prenant une même valeur Ro ss/&alpha;Le point figuratif correspondant à cette impédance est donc un point double. Finalement, la condition d'existence d'une boucle se résume & l'inégalité 1 > O (3) &alpha; - ss Un calcul élémentaire montre que lorsque c( > 1 et p ) 1, soit Zi > Z2 > Z3, l'inégalité (3) est vérifiée si et seulement si &alpha; Lorsque ces conditions sont satisfaites, l'impédance correspondant aux fréquences F1 et F2 est réelle et vaut Ro ss/&alpha;, soitune valeursupérieure àcelle prise pour la fréquence Fo. En définissant la bande d'atténuation du filtre comme étant la bande de fréquence à l'intérieur de laquelle la partie réelle de l'impédance complexe du filtre est supérieure ou égale à Ro, il résulte de la formule (2) que les fréquences limites de cette bande sont définies par F min = Fo 2/# Arctg gm F max = Fo # 2 Arctg gm Cette bande peut avoir typiquement une largeur supérieure à une octave et demi. Il est à noter que l'inégalité (4), bien qu'établie dans le cas où les transformateurs sont "quart d'onde" & une même fréquence, reste encore sensiblement valable tant que les fréquences d'accord Fol et Fo2 restent voisines. A titre d'exemple, la Demanderesse a réalisé, sur un substrat d'oxyde de béryllium, un filtre hyperfréquence conforme à l'invention pour lequel les deux transformateurs t3 et 14 sont quart d'onde à la même fréquence Fo = 15 GHz et ont pour longueur dans le vide lo = 5 mm. Le premier transformateur 13 est constitué par un fil d'or de 2,43 n de longueur réelle, de 50 mde diamètre et de 100 ohms environ d' impédance caractéristique. Ce fil d'or est plaqué sur le substrat dont l'épaisseur est de 0,635 mars. Le deuxième transformateur 14 est réalisé par une microbande d'or de 2,26mm de longueur réelle et 1,4 n de largeur, ce qui représente une impédance caractéristique de 38 ohms. Enfin, la ligne 15, réalisée également en microbande d'or, présente une impédance Z3 de 20 ohms correspondant à une largeur de 3,46 mm. L'impédance Z4 est prise égale & 50 ohms. Dans ces conditions, le point figuratif de l'impédance complexe de ce filtre décrit une boucle se coupant aux fréquences F1 = 11,87 CH: et F2 = 18,13 GHz. L'impédance du filtre à la fréquence Fo = 15 CH: vaut Ro = 138,5 ohms et 190 ohms aux fréquences F1 et F2. Le filtre hyperfréquence selon l'invention est notam- ment destiné à équiper tout système hyperfréquence comportant au moins un circuit d'alimentation de courant continu, ledit filtre assurant le découplage du circuit d'alimentation vis- & vis du signal hyperfréquence.Un exemple d'une telle réalisation est donné à la figure 4 sous la forme d'un circuit d'alimentation 21 associé à un circuit 22 d'adaptation d'impédance faisant partie d'un oscillateur hyperfréquence du type de celui décrit dans la demande de brevet français nd1 02511 déposée par la Demanderesse simultanément avec la présente demande et ayant pour titre "OSCILLATEUR HYPERFREQUENCE ACCORD6 PAR UN GRENAT, A LINEARITE AMELIOREE SUR UNE LARGE BANDE".Cet oscillateur com- prend essentiellement une petite bille 30 de grenat d'yttrium et de fer placée dans un champ magnétique H, un composant actif qui dans l'exemple montré à la figure 4 est une diode Gunn, et un circuit 22 d'adaptation d'impédance réalisé sur le même substrat et à l'aide de la même technologie que pour le circuit d'alimentation 21. Ce circuit est destiné à polariser la diode Gunn 31. Dans le mode de réalisation donné à la figure 4, la borne "+" de l'alimentation de courant continu est connectée à une microbande 32 en or située t à l'extrêmité de la ligne 15, tandis que la borne "-" de ladite alimentation est connectée à une autre microbande 33 également en or, reliée & lamasse 34 et formant avec la microbande 32 un condensateur de découplage 35. L'extrêmité 37 du premier transformateur 13, située du côté opposé par rapport au deuxième transformateur 14, est reliée au circuit 22 d'adaptation en un point qui, dans l'exem- ple de la figure 4 est choisi au niveau d'un premier transformateur 41 dudit circuit d'adaptation 22. L'invention ne saurait être limitée au seul exemple d'application du filtre hyperfréquence selon l'invention donnée à la figure 4 sous la forme d'un oscillateur hyperfréquence. Plus généralement, elle s'applique t tout système hyperfréquence comportant des éléments actifs, et notamment aux amplificateurs hyperfréquence et aux mélangeurs actifs & transistors. REVENDICATIONS 1. Filtre hyperfréquence (11) å large bande d'atténuation, réalisé principalement sous la forme d'un circuit en microbandes déposées sur un substrat (12) en céramique diélectrique, caractérisé en ce qutil est constitué par un premier transformateur (13) du type quart d'onde, d'impédance caractéristique Z1, et qui est en quart d'onde exact pour une fréquence Fol située dans la partie médiane de la bande d'atténuation, ce premier transformateur (13) étant suivi d'un deuxième transformateur (14), également du type quart d'onde, d'impédance caractéristique Z2 inférieure & Z1, et qui est en quart d'onde exact pour une fréquence Fo2 située dans la partie médiane de la bande d'atténuation, ce deuxième transformateur (14) étant lui-même prolongé par une ligne (15) dont l'impédance varie progressivement depuis une valeur z3 inférieure & , mesurée b l'extrêmité (16) de la ligne (15) située du côté du deuxième transformateur (14), jusqu't une valeur Z4 supérieure å Z3. 2. Filtre hyperfréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que les longueurs respectives li et 12 du premier et du deuxième transformateurs (13, 14), d'une part, et les impédances Z1, Z2, Z3, d'autre part, sont choisies telles qu'il existe dans la bande d'atténuation deux fréquences F1 et F2 pour lesquelles l'impédance du filtre hyperfréquence (11) prend une même valeur complexe, de sorte qu'en parcourant successivement toutes les fréquences de la bande d'atténuation, le point figuratif de l'impédance complexe R+jX du filtre hyperfréquence (11) décrive dans un diagramme (R,X) une boucle en forme de gamma. 3. Filtre hyperfréquence selon la revendication 2, caractérisé en ce que, les fréquences Fol et Fo2 étant voisines, les impédances Z1, Z2, Z3 vérifient l'inégalité Z1 5. Système hyperfréquence selon la revendication 4, caractérisé en ce que les longueurs respectives li et 12 du premier et du deuxième transformateurs (13, 14), d'une part, et les impédances Z1, 22, Z3, d'autre part, sont choisies telles qu'il existe dans la bande d'atténuation deux fréquences Fl et F2 pour lesquelles l'impédance du filtre hyperfréquence (11) prend une même valeur complexe, de sorte quten parcourant successivement toutes les fréquences de la bande d'atténuation, le point figuratif de l'impédance complexe R+jX du filtre hyperfréquence (11) décrive dans un diagramme (R,X) une boucle en forme de gamma. 6. Système hyperfréquence selon la revendication 5, caractérisé en ce que, les fréquences Fol et Fo2 étant voisines, les impédances Z1, 22, z3 vérifient l'inégalité Z1 Z2 Z3