Brevet FR2539933A1 — publié le 19840727

FILTRE COMMUTABLE POUR MICRO- NDES La présente invention concerne les filtres commutables pour micro-ondes. Elle concerne plus précisément les filtres utilisés pour les longueurs d'ondes centimétriques dont la fonction de transfert peut être modifiée à l'aide d'un signal électrique auxiliaire applique sur une entrée spéciale prévue à cet effet. De tels filtres peuvent être utilisés, à titre d'exemple, dans des systèmes d'émission ou de réception à large bande dans lesquelles seule une partie de la bande est exploitée à un instant donné. En limitant la bande à sa partie utile de tels filtres réduisent le niveau de bruit et éliminent le cas échéant les harmoniques du signal transmis, en particulier le second harmonique généralement en gendré par les différentes fonctions constituant les systèmes de transmission fonctionnant dans le domaine des hyperfréquences. Une technique connue consiste à utiliser des éléments de type "YIG" (de langlo-saxon: Yttrium Iron Carnet, c'est-à-dire des éléments à base de grenats d'yttrium et de fer) comme éléments de liaison entre des lignes de transmission micro-ondes à ruban("microstrip"). Ce sont des matériaux présentant une fréquence de résonance dont la valeur est fonction de leur état de magnétisation. Des électro-aimants excités par le signal de commutation magnetisent les YIG à un niveau prédéterminé pour obtenir la fonction de transfert désirée. Parmi les inconvénients de cette technique il faut citer : - I'encombrement et le poids du filtre en raison de la présence du ou des électro-aimants, - les pertes d'insertion sont élevées en raison de la valeur importante de la partie résistive des YIG au moment de la résonance, - les YIG introduisent des variations d'impédance importantes créant des réflexions et des taux d'ondes stationnaires élevés, - la constante de temps propre du ou des électro-aimants est élevée (temps de commutation supérieur à 10 millisecondes), - la présence d'électro-aimants s'oppose à la réalisation d'un filtre intégré en technologie microélectronique, - la magnétisation des YIG doit être ajustée avec- précision, - les organes de commande des électro-aimants sont com plexes et volumineux, - l'ensemble de par son volume est mal adapté à une utilisation dans les systèmes embarqués. Une autre technique connue consiste à utiliser des commuta teurs électroniques permettant d'aiguiller le signal dans deux directions au choix. Un premier commutateur placé à l'entrée du filtre et fonctionnant en synchronisme avec un second commutateur placé à la sortie permet de faire transiter le signal au choix dans deux filtres séparés ayant des fonctions de transfert différentes et prédéterminées.Cette technique présente aussi un certain nombre d'inconvénients parmi lesquels il faut mentionner: - des pertes d'insertion élevées dues à la présence de deux commutateurs en série, - un taux d'ondes stationnaires élevé introduit par ces com mutateurs, - une duplication totale des filtres conduisant à un mauvais facteur d'exploitation, l'un des filtres n'étant pas utilisé à un instant quelconque, - une surface d'intégration importante due à l'existence de deux filtres et de deux commutateurs. Pour pallier ces inconvénients de l'art connu, I'invention pro pose un filtre commutable pour micro-ondes compact, de faibles dimensions, entièrement intégré constitué de lignes micro-ondes à rubans déposés sur un substrat dont certaines peuvent être rendues actives ou non au moyen d'interrupteurs du type semiconducteurs disposés de façon à ne pas introduire de pertes d'insertion ou de réflexions importantes. L'invention a donc pour objet un filtre commutable pour micro-ondes comprenant un substrat en matériau diélectrique placé sur un plan de masse, ledit substrat comportant des premiers et seconds éléments constitués de lignes micro-ondes à rubans, des moyens de connexions entre eux de ces premiers et seconds éléments caractérisé en ce que les moyens de connexions sont des dispositifs semiconducteurs commandables et en ce qu'il comprend des moyens pour la commande de ces dispositifs semiconducteurs de manière à établir ou supprimer sélectivement les connexions entre les premiers et seconds éléments. La figure 1 illustre une structure de principe retenue pour réaliser un filtre commutable selon un mode préféré de l'invention. La figure 2 définit les conditions à remplir pour éliminer l'harmonique 2 d'un signal se situant dans une bande de fréquences comprise entre f et 3 f. La figure 3 définit les valeurs des fréquences nécessaires à la détermination du filtre décrit à l'aide de la figure I. La figure 4 illustre la réalisation pratique du filtre obtenue à partir de la structure de base décrite à l'aide de la figure 1. La figure 5 indique les pertes d'insertion mesurées sur le filtre de la figure 4. La figure 1 illustre schématiquement une structure retenue pour réaliser un filtre commutable selon un mode préféré de l'invention. Ce filtre doit être passant dans une bande de fréquences allant de 6,5 à 19,5 GHz lorsqu'il est commuté dans une position et éliminer l'harmonique 2 d'un signal se situant dans cette bande avec une atténuation au moins égale à 20 dB lorsqu'il est commuté dans l'autre position. Les paramètres électromagnétiques d'un tel filtre peuvent être déterminés de façon classique notamment à partir d'une méthode publiée dans la revue '1EEE transactions on microwave theory and techniques" de juillet 1970 pages 402/404, l'article ayant pour titre "Design Tables for a Class of Optimum Microwave Bandstop Filters". Comme le montre la figure 1, un filtre à trois cellules a été retenu. Le taux d'ondulation dans la bande est limité à 0,25 db. Cette structure de filtre comprend une ligne micro-onde à rubans longitudinale terminée à l'entrée et à la sortie du filtre sur une impédance R, cette ligne n'est pas commutée et reste en fonction de manière permanente ;elle est constituée de quatre lignes en casca de 3, 5, 7 et 9. Les lignes 3 et 9 placées respectivement à l'entrée et à la sortie du filtre ont une impédance caractéristique de 50 ohms. L'impédance caractéristique des lignes intermé diaires 5 et 7 est de 58,1 ohms. Trois autres lignes transversa les 11, 13 et 15 peuvent être branchées en dérivation sur la ligne longitudinale respectivement en trois points 17, 19 et 21 en rendant conductrices trois diodes PIN 23, 25 et 27. Les impédances carac téristiques de ces trois lignes, 13 et 15 sont respectivement de 71,7, 47,8 et 71, 7 ohms. La figure 2 définit les conditions à remplir pour éliminer l'har monique 2 d'un signal se situant dans une bande de fréquence comprise entre f et 3 f. Pour la clarté de l'explication la fréquence de fonctionnement inférieure de la bande, qui en général peut être quelconque, est ici réduite à runité d'où fl = 1. La valeur de la fréquence de fonctionnement supérieure f3 prend de ce fait la valeur 3. Un simple examen de la figure 2 montre que seul un signal de fréquence comprise entre 1 et 1,5 peut avoir son harmonique 2 dans la bande, et -plus précisément dans la partie f2 - f3 correspondant aux valeurs 2 et 3 de cette bande. Un signal de fréquence inférieure à 1 ntest pas à considérer car il se trouve en deçà de la fréquence de fonctionnement fl, de même tout signal de fréquence supérieure à 1,5 a son harmonique 2 située au-delà de la fré quence 3- En conséquence si le signal transmis est de fréquence si tuée entre 1,5 et 3, le filtre est commuté en position "pseudo passe tout" et la bande transmise couvre la gamme de t à f3. Si le signal transmis est de fréquence située entre 1 et 1,5 le filtre est commuté en position "éliminateur de bande" et la bande transmise couvre la gamme de fl à f4. II y a donc lieu de réaliser un filtre commutable a deux fonctions de transfert différentes.Pour une fréquence de fonctionnement inférieure fl de la bande considérée la figure 2 définit clairement la valeur des autres fréquences nécessaires à la détermination du filtre: f3 = 3 fl, f2= 2fl' 4 = f3/2 et f0= (f2 +f3) /2. Les plages H1 et H2 indiquent respectivement les régions ou se trouve le signal et son harmonique 2. La figure 3 définit les valeurs des fréquences oX fl f2, f3 et f4 nécessaires à la détermination du filtre décrit à l'aide de la figure I. De façon simplifiée le fonctionnement du filtre peut être décrit de la façon suivante. Les lignes micro-ondes transversales 11, 13 et 15 (figure 1) sont des lignes ouvertes à une extrêmité et accordées en quart d'onde sur la fréquence f0 de 16,25 CHz. A cette fréquence f0 les lignes 11, 13 et 15 présentent à leur extrémité côte diodes l'équivalent d'un circuit résonant série de Q fini, c'est-à-dire une impédance réduite à un faible terme résistif.A cette fréquence de 16,25 GHz, la ligne longitudinale 3, 5, 7, 9 est donc court-circuitée en trois points et ne transmet pas ce signal; il travaille essentiellement en mode réflexion. Les lignes 11, 13, et 15 ont des impédances prédéterminées pour qu'aux fréquences de 13 et 19,5 GHz, leur réactance soit suffisamment faible pour introduire une atténuation de 20 db. II résulte de ces considérations que si les diodes 23, 25, 27 (figure 1) sont rendues conductrices les lignes transversales 11, 13 et 15 éliminent dans la bande f2 - f3 le second harmonique issu d'un signal se trouvant dans la bande fl- f4. Au contraire si les diodes sont bloquées la ligne micro-onde longitudinale transmet toute la bande f1 - i sans atténuation notable. La figure 4 illustre la réalisation pratique obtenue à partir de la structure de base décrite à l'aide de la figure 1. La technologie choisie consiste à placer les lignes micro-ondes à rubans (microstrip) sur une face d'une lame en matériau diélectrique 29, L'autre face étant entièrement métallisée pour constituer un plan de masse 31. Les éléments déjà cités portent les mêmes références et ne sont pas décrits une seconde fois. Les trois diodes 23, 25, et 27 choisies du type PIN, sont commandées simultanément dans un mode parallèle, en courant pour leur mise en conduction et en tension pour leur mise à l'état bloqué. Des filtres passe-bas permettent de leur appliquer un signal continu de commutation sans affecter les impédances du filtre dans le domaine des micro-ondes. A cette fin trois lignes en quart d'onde 33, 35 et 37 relient respectivement au plan de masse les lignes transversales 11, 15 et 13. Par ailleurs une autre ligne quart d'onde constituée des éléments 39 et 41 découplés du plan de masse par de faibles condensateurs 43 et 45 relie le guide longitudinal du filtre à la borne de commande de commutation 47.Les lignes constituant le filtre passe-bas sont accordées en quart d'onde sur la fréquence centrale f2 ; leur faible largeur physique contribue à augmenter leur impédance caractéristique et de ce fait leur atténuation aux fréquences extrêmes fl et 3. Selon la polarité du signal de commutation les trois diodes auront soit leurs cathodes soit leurs anodes reliées au guide longitudinal. Des condensateurs de liaisons 49 et 51 suppriment la transmission du signal continu de commutation vers le reste de Péquipement. La figure 5 indique les pertes d'insertions mesurées sur le filtre de la figure 4. La courbe 55 montre l'atténuation du filtre en position "pseudo-passe-tout"; cette atténuation, de l'ordre de deux décibels, varie peu dans la bande de 6,5 GHz à 19,5 GHz. La courbe 53 indique l'atténuation en mode éliminateur de bande; entre 6,5 et 9,75 GHz, bande où se trouve le signal, I'atténuation est sensiblement la même qu'en position "pseudo-passe-tout", par ailleurs dans la bande de 13 à 19,5 GHz où peut se trouver l'harmonique 2, l'atténuation est au minimum de 20 db. Un des aspects essentiels de l'invention est de proposer un filtre commutable qui, contrairement à l'art antérieur, présente SIMULTANEMENT les avantages suivants: - le filtre fonctionne dans le domaine des micro-ondes, - il peut être entièrement intégré en microelectronique, - ses dimensions, inférieures ici à 25 millimètres carrés, permettent son introduction directement dans les fonctions existantes d'un système, - ses pertes d'insertion sont faibles car il ne comporte pas d'éléments de commutation en série entre l'entrée et la sortie et en "pseudo passe-tout" les éléments transversaux se déconnectent entièrement, - son taux d'ondes stationnaires, particulièrement dans le mode "pseudo-passe-tout" est faible car les diodes PIN à l'état bloqué ont une capacité inférieure à 0,02 pF, - le temps de commutation est inférieur à 10 nanosecondes, - I'emploi de diodes PIN réduit considérablement la puissance nécessaire à la commutation, - le circuit de commande de la commutation est très simple, - le filtre ne nécessite pas de réglages critiques, - le filtre n'est pas sensible à l'environnement en particulier aux champs magnétiques extérieurs, - la fabrication d'un tel filtre fait appel à une technologie éprouvée, fiable et économique, - ce type de filtre est particulièrement adapté aux systèmes embarqués. Le filtre commutable objet de l'invention n'est pas limité au seul exemple de réalisation qui vient d'être décrit. D'autres variantes peuvent, par exemple, être réalisées de la façon suivante: - intégration des lignes de transmission en mode de propagation coplanaire, - choix d'une configuration différente, - réalisation de fonctions de transfert différentes, - commutation à plus de deux états, - bande de fréquences étendue à plusieurs octaves, - réjection d'harmoniques de rangs plus élevés, - éléments de commutation autres que des diodes PIN REVENDICATIONS 1. Filtre commutable pour micro-ondes comprenant un substrat en matériau diélectrique (29) placé sur un plan de masse (31), ledit substrat (29) comportant des premiers (3, 5, 7, 9) et se conds(11, 13,15) éléments constitués de lignes microndes à rubans, des moyens de connexions entre eux de ces premiers et seconds éléments, caractérisé eÀ ce que les moyens de connexions sont des dispositifs semiconducteurs commandables (23, 25, 27) et en ce qu'il comprend des moyens (33, 35, 37, 39, 41, 43, 45) pour la commande de ces dispositifs semiconducteurs de manière à établir ou supprimer sélectivernent les connexions entre les premiers et seconds éléments. 2. Filtre selon la revendication 1 caractérisé en ce que les premiers éléments sont constitués de quatre lignes microondes (3, 5, 7, 9) associées en cascade reliant de façon permanente l'entrée et la sortie du filtre, les seconds éléments sont constitués de trois lignes micro-ondes (11, 13, 15) du type quart d'onde, chacune de ces lignes (11, 13, 15) ayant une extrémité ouverte, L'autre extrémité étant connectée en dérivation sur l'ensemble des lignes (3, 5, 7, 9) constituant les premiers éléments à travers des dispositifs semiconducteurs (23, 25, 27) en des points prédé -terminés (17, 19, 21) de façon à constituer un filtre à trois cellules. 3. Filtre selon les revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que les dispositifs semiconducteurs sont des diodes du type PIN. 4. Filtre selon les revendications 2 ou 3 caractérisé en ce que, les fréquences de fonctionnement inférieure et supérieure de la bande étant respectivement fl et f3 dans le mode de fonctionnement "pseudo passe-tout", les seconds éléments (11, 13, 15) sont du type quart d'onde accordés sur une fréquence f0 =(f3 + 2fl) / 2. 5. Filtre selon la revendication 4 caractérisé en ce que le rapport f3/fl est de 3 et en ce que le filtre étant dans le mode "éliminateur de bande" I'atténuation d'un signal dont la fréquence est comprise entre f2 = 2fl, et i est au moins égale à 20 dB. 6. Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que les moyens de commandes des diodes PIN comprennent trois lignes auxiliaires à ruban (33, 35, 37) reliant respectivement au plan de masse (31) les trois lignes (Il, 15, 13) constituant les seconds éléments, une autre ligne auxiliaire constituée de deux éléments (39, 41) en cascade reliant à une borne spéciale (47) affectée à la commande de commutation les lignes (3,5, 7, 9) constituant les premiers éléments et en ce que le point de jonction des deux éléments (39, 41) branchés en cascade d'une part et la borne de commande de commutation (47) d'autre part sont reliés au plan de masse (31) à travers des condensateurs (43, 45). 7. Filtre selon la revendication 6 caractérisé en ce que les lignes auxiliaires (33, 35, 37; 39, 41) sont du type quart d'onde accordées sur une fréquence (f1. + f3) / 2 et en ce que la largeur des rubans de ces lignes est déterminée pour augmenter leur atténuation aux valeurs de fréquence extrêmes de la bande (fi, f3). 8. Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que les diodes PIN sont orientées de façon à être rendues simultanément conductrices dans le premier mode de fonctionnement par application d'un courant continu dans la borne de commande (47) et simultanément bloquées dans le second mode de fonctionnement par application d'une tension continue inverse sur ladite borne de commande (47).