Brevet FR2552601A1 — publié le 19850329

Filtre miniature hyperfréquence à résonateurs, constitués par des circuits bouchons, couples par des condensateurs Les filtres hyperfréquences passe-bande ou coupe-bande constitués par des résonateurs à circuits bouchons couplés entre eux au moyen de condensateurs sont bien connus Leur réalisation, en vue de leur utilisation dans le domaine des hyperfréquences est cependant délicate 5 car à ces fréquences les condensateurs d'accord des circuits résonnants et les condensateurs de couplage des résonateurs ont des capacités très faibles, difficilement mesurables et ajustables. La réalisation par exemple, de filtres travaillant sur des fréquences de quelques centaines de M Hz conduit à des valeurs de condensateurs 10 de quelques dizaines de picofarads pour les condensateurs d'accord et de quelques picofarads pour des condensateurs de liaison On conçoit dès lors que ces conditions ne sont pas favorables à la fabrication en série de ces types de filtres, leur caractéristique électrique étant difficilement reproductible d'un filtre à l'autre. La solution à ces difficultés est souvent apportée en réalisant des résonateurs constitués par des lignes "quart d'onde" court-circuitées à leurs extrémités, réalisées à l'aide des techniques de fabrication des micro-circuits ou encore, en réalisant des filtres en "hélice" constitués aussi par des lignes quart d'onde, court-circuitées à leurs extrémités, 20 enroulées autour d'un mandrin, les couplages entre résonateurs de ces deux types de filtres étant obtenus par induction mutuelle entre résonateurs. Ces filtres ont cependant pour inconvénient de conduire à des réalisations volumineuses et d'être, par conséquent, mal adaptés à cer25 taines applications particulières exigeant des réalisations de faible volume et de faible poids comme ceci est exigé, par exemple, pour tous les constituants entrant dans la fabrication des satellites de télécommunications. Le but de l'invention est de pallier les inconvénients précités. A cet effet, l'invention a pour objet, un filtre miniature hyperfréquence à résonateurs constitués par des circuits bouchons, couplés par des condensateurs, les condensateurs d'accord et de couplage étant composés par des plaques métalliques parallèles supportées et séparées par le diélectrique d'un substrat, caractérisé en ce que, la surface d'au moins une plaque de chaque condensateur d'accord et/ou de couplage est ajourée par 5 des fenêtres susceptibles d'être bouchées par un dépôt métallique afin de permettre le réglage de chaque condensateur à sa valeur optimale. Selon une autre caractéristique du filtre selon l'invention, le couplage entre résonateurs consécutifs est réalisé à l'aide d'au moins deux condensateurs montés en série, pour permettre, en accédant sur le point 10 de liaison commun aux deux condensateurs, la mesure précise de la valeur de chacun des deux condensateurs. Outre l'extrème miniaturisation rendue possible par la structure du filtre selon l'invention, l'invention a pour avantage qu'elle permet d'obtenir, malgré la faible capacité des condensateurs de couplage et 15 d'accord, un réglage précis des condensateurs en garantissant ainsi une bonne reproductibilité des caractéristiques des filtres fabriqués en série. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront également à l'aide de la description qui va suivre faite au regard des dessins annexés qui représentent: La figure 1, un schéma de réalisation d'un filtre passe-bande à circuits bouchons couplés par condensateurs. La figure 2, un schéma de réalisation d'un filtre passe-bande selon l'invention. La figure 3, un schéma de principe du circuit capacitif mis en 25 oeuvre pour la réalisation du filtre hyperfréquence selon l'invention. La figure 4, un exemple de réalisation d'un micro-circuit réalisé suivant le schéma de principe de la figure 3. La figure 5, une vue en coupe suivant la coupe V du microcircuit représenté à la figure 4. Le schéma représenté à la figure 1 est un schéma de principe d'un filtre hyperfréquence à résonateurs à circuits bouchons du type de ceux pour lesquels la présente invention est applicable Il comprend une entrée A du signal E(t) à filtrer et une sortie B du signal filtré S(t), les signaux S(t) et E(t) étant liés la relation S(t) = H x E(t) qui représente le produit de convolution du signal E(t) par la fonction H, H désignant la fonction de transfert du filtre Il comprend également un ensemble de résonateurs ou circuits bouchons notés respectivement de 1 à 5 à l'intérieur de rectangles en pointillés, ces circuits 5 bouchons étant reliés par une de leurs extrémités à un circuit de masse commun M et couplés entre eux par des condensateurs de couplage référencés de 6 à 9 L'ensemble des circuits bouchons et des condensateurs de couplage est adapté dans chaque cas d'utilisation particulier de manière à réaliser la fonction de transfert H = (t) souhaitée du filtre. E(t) Les circuits bouchons I et 5 constituent les éléments résonnants d'entrée-sortie du filtre L'entrée A du filtre est connectée au point de liaison commun de deux condensateurs 10 et Il reliés en série Les extrémités non communes des condensateurs 10 et Il sont reliées aux extrémités d'une inductance 12 pour former le circuit bouchon d'entrée 1 15 du filtre De façon similaire la sortie B du filtre est connectée au point de liaison commun de deux condensateurs 13 et 14 reliés en série Les extrémités non communes des condensateurs 13 et 14 sont reliées aux extrémités d'une inductance 15 pour former le circuit bouchon de sortie 5 du filtre Les circuits bouchons intermédiaires 2, 3 et 4 sont constitués 20 respectivement par des inductances, notées respectivement 16, 17 et 18, couplées en parallèle à des condensateurs désignés respectivement par les références 19, 20 et 21. Comme indiqué précédemment, l'inconvénient majeur qui rend délicate la réalisatiori des filtres du type de celui représenté à la figure 1 25 est qu'il est difficile d'obtenir, lorsque ceux-ci sont fabriqués en série, des caractéristiques facilement reproductibles d'un filtre à l'autre. La difficulté est de deux ordres, elle est d'une part liée à l'extrème petitesse des valeurs des condensateurs de couplage et d'accord des circuits bouchons ce qui entrainent des dispersions sur les valeurs des 30 condensateurs fabriqués, et d'autre part, elle est liée au fait qu'il n'est pas possible d'effectuer une mesure précise des valeurs des condensateurs de couplage, ceux-ci ne pouvant être isolés du reste du circuit du filtre. Ces difficultés sont résolues grâce à la structure particulière du filtre de l'invention qui est représenté aux figures 2 à 5. Le schéma de principe du filtre selon l'invention, représenté à la figure 2, est semblable au schéma du filtre représenté à la figure l, à la différence cependant que les moyens de couplage 6 à 9 qui sont constitués sur la figure 1 par de simples condensateurs, sont constitués sur la figure 5 2 par des paires de condensateurs notées respectivement 22, 23; 24, 25; 26, 27; 28, 29; reliées en série entre respectivement les extrémités marquées C, E, G, 1, K, non à la masse M, des circuits bouchons 1, 2, 3, 4 et 5. Du fait de la similitude entre les figures I et 2, les éléments identiques sur les deux figures sont repérés sur chacune d'entre elles en utilisant les 10 mêmes références Sur la figure 2, les points D, F, H et J désignent respectivement les points de liaison commun entre deux condensateurs d'une même paire, des paires de condensateurs notées respectivement 22, 23; 24, 25; 26, 27; 28, 29 Cette disposition a pour avantage, qu'elle permet la mesure précise des condensateurs de couplage, en donnant la 15 possibilité, pour effectuer la mesure, de relier à la masse l'extrémité non à la masse des circuits bouchons, pour isoler chaque condensateur mesuré du reste des autres éléments du filtre En effet, en court-circuitant à la masse M les extrémités C et E des circuits bouchons 1 et 2, les condensateurs 22 et 23 se trouvent isolés du reste des circuits du filtre et 20 rendent possible, par conséquent, la mesure de la capacité au point D qui résulte de la mise en parallèle des condensateurs 22 et 23 On notera que suivant ce principe, la même mesure pourra être répétée aux points F, H et 3. Le schéma de réalisation du circuit capacitif du filtre représenté 25 à la figure 2 est montré à la figure 3 Ce schéma comporte les mêmes éléments que ceux de la figure 2, à la différence toutefois, que les inductances 12, 15, 16, 17 et 18 placées entre les extrémités de connexion C, E, G, I, K des circuits bouchons et la masse M, ne sont pas représentées Sur cette figure les armatures de chaque condensateur sont 30 repérées en utilisant les mêmes références utilisées pour repérer les condensateurs correspondants de la figure 2 en leur adjoignant les indices a et b Le micro-circuit capacitif correspondant, représenté aux figures 4 et 5, comprend un susbstrat 30 composé par deux faces rectangulaires planes 30 a et 30 b, deux faces d'extrémités 30 C et 30 d disposées dans la 35 largeur du substrat et deux faces longitudinales 30 e et 30 f Le substrat 30 est constitué par un matériau à permittivité élevée du type titanate de magnésium, alumine ou téflon et son épaisseur entre les deux faces 30 et 30 b est de quelques dizièmes de millimètres La première face 30 a supporte une ligne de masse 31 Des plaques métalliques 10 a, 19 b, 20 b ' 5 21 b et 13 a représentant les armatures des condensateurs 10, 19, 20, 21 et 13 représentées à la figure 3 sont enterrées, isolées par des espaces les unes des autres, dans l'épaisseur du substrat 30, et sont alignées dans cet ordre sur un même plan parallèle à la face 30 a du substrat, la plaque 10 a étant disposée à l'extrémité gauche, près de la face d'extrémité 30 c et la 10 plaque 13 a étant disposée à l'extrémité droite, près de la face d'extrémité d Les plaques métalliques 10 a, 19 b, 20 b, 21 b, 13 a ont une formeà peu près rectangulaire, les dimensions d'un de leurs cotes étant à peu près égales à la largeur du substrat La plaque 10 présente un bord relevé 32, a faisant saillie sur la plaque et disposé contre la face d'extrémité 30, la 15 hauteur du bord faisant saillie étant suffisante pour permettre au bord relevé 32 de déboucher par son extrémité de la face 30 b du substrat, pour former le point A de connexion de l'entrée du filtre De façon à peu près identique, la plaque 13 a présente un bord relevé 33 faisant saillie sur la plaque et disposé de manière à être contre la face d'extrémité 30 d du 20 substrat, la hauteur du bord en saillie étant suffisante pour permettre au bord relevé 33 de déboucher par son extrémité de la face 30 b du substrat de manière à former le point B de connexion de la sortie du filtre La plaque métallique 10 b formant la deuxième armature du condensateur 10 présente une partie enterrée 34 et une partie en saillie 35 en forme de L 25 sur une de ses faces qui débouche de la face 30 b du substrat, une branche du L parallèle à la direction longitudinale du substrat formant le point de connexion C de la figure 3 La plaque métallique 10 b a des dimensions à peu près rectangulaires et est disposée en regard et parallèlement à la plaque 10 a, entre celle-ci et la face supérieure 30 b du substrat Un côté 30 de la plaque 10 b est placé contre la face longitudinale 30 f et sa longueur est à peu près égale à celle du côté correspondant de la plaque 10 a qui lui est parallèle La longueur du côté adjacent au côté précédent de la plaque 10 best de dimension à peu près égale à la moitié de la largeur du substrat. De façon à peu près similaire la plaque 13 b représentée en pointillés dans l'épaisseur du substrat et formant la deuxième armature du condensateur 13 de la figure 3, présente une partie enterrée 36 une partie en saillie 37 en forme de L qui débouche sur la face 30 b du substrat, une 5 branche du L étant parallèle à la direction longitudinale du substrat et formant le point de connexion K représenté à la figure 3 La plaque métallique 13 b a des dimensions à peu près rectangulaires et est disposée en regard et parallèlement à la plaque 13 a, entre celle-ci et la face supérieure 30 b du substrat Un côté de la plaque 13 b est placé contre la 10 face longitudinale 30 f et sa longueur est à peu près égale à celle du c 6 té correspondant de la plaque 13 a qui lui est parallèle. Les plaques métalliques 19 b, 20 b, 21 b sont disposées entre les plaques 10 a et 13 a et présentent également des parties en saillie qui sont disposées cette fois à peu près en leur milieu, notées respectivement 39, 15 40 et 41 et qui viennent crever la surface 30 b du substrat, pour former les points de liaison E, G, 1, de la figure 3. Des plaques métalliques espacées, référencées Ila, 19 a, 20 a, 21 a et 14 a, correspondant aux armatures reliées à la masse M des condensateurs 11, 19, 20, 21 et 14 représentés à la figure 3, sont placées au-dessus 20 de la face 30 b du substrat en regard et parallèlement respectivement aux plaques 10 a, 19 b, 20 b, 21 b et 13 a Elles ont des formes à peu près rectangulaires et sont reliées à la ligne de masse 31 par un de leurs côtés au travers d'une bande métallisée 38 qui recouvre la face longitudinale 30 du substrat Elles sont également disposées de manière à être en e regard des parties en saillie 35, 39, 40, 41 et 37 entre ces dernières et la bande métallisée 38, le côté opposé au côté en contact avec la bande métallisée 38 étant distant de la partie en saillie correspondante, de manière à assurer l'isolement entre chaque plaque et la partie en saillie correspondante. Les plaques 19 a, 20 a, 21 a sont ajourées par des fenêtres 41, 42, 43, de surfaces variables, susceptibles d'être bouchées par une métallisation pour permettre l'ajustement des valeurs des condensateurs 19, 20 et 21 correspondants de la figure 3, en modifiant à volonté la surface des plaques 19 a, 20 a et 21 a Dans un mode préféré de réalisation de l'invention les surfaces des fenêtres sur une plaque seront toutes différentes et seront par exemple proportionnées à la manière des poids dans une boîte de poids pour faciliter l'ajustement précis des condensateurs. Des bandes métalliques 44 à 47 sont placées sur la face 30 b du substrat, dans la direction longitudinale de celui-ci, au-dessus des intervalles compris entre les plaques enterrées 10 b, 19 b, 20 b 21 b et 13 b, la longueur de chacune des bandes étant suffisante pour que ces extrémités viennent chevaucher chacune des deux plaques enterrées délimitant 10 l'intervalle au-dessus duquel elle est située, de manière à former les condensateurs de liaison notés respectivement de 22 à 29 sur la figure 3. Les extrémités des bandes métalliques 44 à 47 sont percées également chacune d'au moins une fenêtre notée respectivement 22 b ' 23 a 24 b 25 a, 26 b 27 a, 28 b et 29 a pour permettre éventuellement un 15 rebouchage de chacune de celle-ci pour ajuster les capacités des condensateurs de couplage 22 à 29. Egalement, des pastilles métalliques 48 et 49 sont placées audessus de la surface 30 b du substrat, à environ la moitié de la largeur du substrat, entre respectivement les extrémités des plaques 10 b et 11 a d'une 20 part, et 13 b et 14 a d'autre part, pour pouvoir, en tant que de besoin, être reliée chacune par un dépôt métallique sur l'une ou l'autre des extrémités des plaques en face desquelles elles sont en regard, pour augmenter artificiellement la surface de l'une ou l'autre plaque, permettant ainsi d'ajuster à volonté la valeur des condensateurs d'entrée et de sortie 10, 11, 13 25 et 14. La structure du filtre hyperfréquence selon l'invention qui vient d'être décrite, permet avantageusement un réglage et une mise au point des condensateurs d'accord des circuits résonnants et des condensateurs de couplage reliant chacun des résonateurs L'accessibilité des points de 30 liaison C, D, E, F, G, H, I, 3 J, K du circuit capacitif obtenu grâce aux parties en saillie des plaques enterrées et aux bandes de liaison 44 à 47 autorisent en effet de court-circuiter à volonté chacun des condensateurs d'accord pour permettre la mesure précise du condensateur de couplage placés de part et d'autre des bandes métalliques des liaisons 44 à 47. 35 Cette facilité de mesure est complétée par les facilités de réglage de chacun des condensateurs d'accord et de couplage par rebouchage des fenêtres 41, 42 et 43 Ce réglage pouvant être obtenu directement par la mesure de la capacité d'un condensateur de liaison qui permet à partir du modèle mathématique du filtre, de déterminer par le calcul les valeurs qui 5 doivent être données aux autres condensateurs Connaissant ces valeurs, il est dès lors possible, à partir des facilités de réglage qui viennent d'être décrites, de régler la valeur des capacités du filtre à leurs valeurs optimums. L'exemple qui vient d'être donné d'une réalisation préférée de 10 l'invention n'est pas limité au filtre précédemment décrit, il va de soi que l'invention s'applique également à d'autres variantes de réalisation, pouvant être empruntées notamment aux techniques de fabrication des micro-circuits à couche mince ou épaisse par voie sérigraphique ou encore par photogravure. On comprendra également que l'invention n'est pas non plus limitée au nombre de résonateurs utilisés, ni à la structure de ceux-ci qui au lieu d'avoir des structures en parallèle, comme cela a été représenté dans le mode de réalisation de l'invention, peuvent avoir des structures en série, ni au mode de couplage des résonateurs d'entrée et de sortie aux 20 circuits extérieurs au filtre. REVENDICATIONS 1 Filtre miniature hyperfréquence à résonateurs constitués par des circuits bouchons ( 1, 2, 3, 4, 5), couplés par des condensateurs ( 6, 7, 8, 9) les condensateurs d'accord et de couplage étant composés par des plaques métalliques parallèles supportées et séparées par le diélectrique 5 ( 30) d'un substrat, caractérisé en ce que, la surface d'au moins une plaque ( 19 a 20 a, 44, 45, 46, 47) de chaque condensateur d'accord et/ou de couplage ( 19, 20, 21; 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29) est ajourée par des fenêtres ( 41, 42, 43) susceptibles d'être bouchées par un dépôt métallique afin de permettre le réglage de chaque condensateur à sa valeur optimale. 10 2 Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le couplage entre résonateurs consécutifs est réalisé à l'aide d'au moins deux condensateurs ( 22, 23; 24, 25; 26, 27; 28, 29) montés en série, pour permettre, en accédant sur le point de liaison (D, F, H, 3) commun aux deux condensateurs, la mesure précise de la valeur de chacun des deux 15 condensateurs. 3 Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les surfaces des fenêtres sur une plaque sont toutes différentes. 4 Filtre selon la revendication 3, caractérisé en ce que les 20 surfaces des fenêtres sur une plaque sont proportionnées à la manière des poids composant une boîte de poids pour faciliter l'ajustement précis des condensateurs ( 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29). Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que des pastilles métalliques ( 48, 49) sont également disposées à 25 proximité des plaques ( 10 b, l'a'13 b, '14 a) des condensateurs d'accord des circuits bouchons d'entrée et de sortie du filtre, pour augmenter à volonté la surface d'une plaque située à proximité des pastilles des valeurs respectives des éléments de surfaces correspondant de ces pastilles. 6 Filtre selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'augmnen30 tation de la surface d'une plaque ( 10 b, la'13 b 14 a) de l'élément de surface d'une pastille ( 48, 49) est effectuée en reliant la plaque à la pastille par un dépôt métallique. 7 Filtre selon l'une quelconque des revendications I à 6, caractérisé en ce que les plaques ( 19 a, 20 a, 21 a) ajourées par des fenêtres sont disposées sur une surface extérieure ( 30 b) au substrat et que les plaques en regard ( 19 b, 20 b, 21 b) pour former la deuxième armature de chaque condensateur correspondant sont enterrées dans l'épaisseur du substrat. 8 Filtre selon la revendication 7, caractérisé en ce que les plaques ajourées des fenêtres disposées sur une face du substrat sont reliées à une bande métallisée recouvrant l'autre face du substrat par l'intermédiaire d'une bande métallisée ( 38) recouvrant une face longitudi10 nale ( 30 e) du substrat. 9 Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que chaque inductance ( 16, 17, 18) d'un circuit bouchon a d'une part, une extrémité reliée à une plaque ( 19 a, 20 a, 21 a) ajourée de fenêtres formant la première armature du condensateur d'accord qui lui 15 correspond et a, d'autre part, son autre extrémité reliée à la plaque enterrée ( 19 b, 20 b, 21 b) en vis à vis formant l'autre armature du condensateur d'accord, par l'intermédiaire d'une partie métallique ( 38, 39, 40) en saillie sur la plaque enterrée ( 19 b, 20 b, 21 b) dont l'extrémité vient crever la face du substrat supportant la plaque ajourée de fenêtres. 10 Filtre selon l'une quelconque des revendications I à 9, caractérisé en ce que les plaques des condensateurs sont déposées sur le substrat par sérigraphie.