Brevet FR2551935A1 — publié le 19850315

FILTRE A CRISTAUX PIEZO-ELECTRIQUES La présente invention a pour objet un filtre à cristaux piézoélectriques, plus particulièrement du type Jaumann. Un tel filtre comprend un transformateur différentiel dont la primaire constitue l'entrée du filtre, et dont le secondaire comporte deux bobinages dont chacun présente une première extrémité à la masse et dont l'autre extrémité est reliée à une première extrémité d'une branche comportant au moins un dit cristal piézo-électrique, les secondes extrémités desdites deux branches étant couplées entre elles pour constituer la sortie du filtre. Il est souvent souhaitable que de tels filtres présentent, aux limites de la bande de fréquences transmises, des flancs aussi raides que possible. L'obtention d'un tel résultat nécessite la mise en oeuvre de cristaux dont les inductances propres sont dans un rapport élevé. L'auto-inductance d'un cristal dépent, pour une fréquence donnée, de certaines de ses dimensions et de celles des électrodes conductrices qu'il porte. Selon les techniques connues, on réalise une fois pour toutes des cristaux ayant les inductances souhaitées et on assemble les filtres, sans qu'aucun ajustage soit possible. La demanderesse a proposé dans le brevet français 2.398.413 d'associer les cristaux à un transformateur d'impédance permettant de faire varier la self apparente des cristaux. Dans ce cas, la précision sur les selfs est limitée par la précision du nombre de spires qui n'est déterminé au mieux qu'à une demi-spire près. L'invention a pour objet un filtre piézo-électrique dans lequel la self d'au moins un cristal piézo-électrique peut être ajustée avec précision. L'invention concerne ainsi un filtre à cristaux piézoélectriques du type Jaumann, caractérisé en ce qu'au moins un dit cristal piézo-électrique est disposé en série avec un condensateur destiné à réaliser l'ajustage de la self du cristal. Selon une variante, au moins une branche présente une pluralité de cristaux piézo-électriques disposés en parallèle. Selon un mode préféré de réalisation, on réalise une conversion de la self d'au moins un cristal à l'aide d'un transformateur d'impédance. Selon une première variante dudit mode préféré de réalisation, le couplage des secondes extrémités desdites deux branches est réalisé par l'intermédiaire d'un transformateur recevant une extrémité d'au moins un dit cristal piézo-électrique. Selon une seconde variante dudit mode préféré de réalisation, le secondaire du transformateur différentiel présente au moins un bobinage additionnel recevant une extrémité d'au moins un dit cristal piézo-électrique. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, en liaison avec les dessins qui représentent - la figure 1, un exemple de filtre en Jaumann de l'art antérieur - la figure 2, un exemple de filtre en Jaumann selon l'invention - les figures 3a et 3b respectivement, un schéma électrique équivalent d'un cristal piézo-électrique et la courbe d'impédance correspondante établie en fonction de la fréquence - les figures 4a, 4b et 4c, respectivement, un premier et un second schéma électrique équivalent d'un cristal piézo-électrique comportant un condensateur en serie selon l'invention, et la courbe impédance-fréquence correspondante - les figure 5a et 5b, respectivement, un schéma électrique équivalent du filtre de la figure 1 et les courbes impédancefréquence de chaque branche (en pointillés) et sa résultante (en traits pleins) - les figures 6a et 6b, respectivement un schéma électrique équivalent du filtre de la figure 2, et la courbe impédance-fréquence du filtre (en traits pleins) ainsi que la courbe de réponse du filtre (en pointillés), et - les figures 7 à 9, trois variantes du filtre selon l'invention. Selon la figure 1, un filtre piézo-électrique du type Jaumann comporte un transformateur différentiel T1 dont le primaire P constitue l'entrée du filtre. Il comporte à cet effet une borne active 1 et une borne 2 à la masse. Le secondaire du transformateur T1 comporte deux bobinages B1 et B2 reliés en un point 5 qui est mis à la masse. Les extrémités libres des bobinages B1 et B2 sont reliées respectivement à une extrémité 6 d'un première branche et à une extrémité 7 d'une seconde branche. La première branche comporte deux quartz X1 et X2 branchés en parallèle. La seconde branche comporte un quartz unique X3. Les extrémités S et 9 respectivement de la première et de la seconde branche sont réunies entre elles en 3 pour constituer la borne active de la sortie S du filtre. La figure 2 représente un filtre en Jaumann de même schéma que celui de la figure 1, à ceci près que des condensateurs C1, C2 et C3 ont été disposés en série avec les quartz X1, X2 et X3. Ainsi qu'il va être démontré ci-dessous, ces condensateurs disposés en série permettent de modifier dans une certaine plage la self propre de chaque quartz, en n'introduisant qu'une variation faible de sa fréquence. Selon la figure 3a, le schéma électrique équivalent d'un quartz X est constitué par un circuit série composé d'une self L5 et d'une capacité C5, aux bornes duquel est branchée une capacité C0 Co est de l'ordre de quelques pF à quelques dizaines de pF, C5 est de l'ordre de 0,01 pF, et Ls varie dans une plage située entre le mH jusqu'à plusieurs Henrys. Aux fréquences basses, I'impédance est élevée et capacitive (cl). Lorsque la fréquence croît, I'impédance diminue et passe par zéro à la résonance pour L5 Cs #s2 = 1 ; avec w S = 27r F5, Fs étant la fréquence de résonance. Au delà de la fréquence de résonance F5, I'impédance devient de plus en plus selfique (Ls) et son module atteint celui de Co à l'anti-résonance qui intervient à la fréquence F . L'impédance tend a ensuite vers zéro sous l'influence de CO. En disposant en série un condensateur C avec le quartz X (figure 4a), on aboutit au schéma équivalent de la figure 4b. II vient CoC C'o = (1) Co + C Co)2 L's = Ls (1 + (2) C C2 C' = C (3) (C0 + C) (C0 + c + c5) La résonance est obtenue à une fréquence F' supérieure à F 5 s Il vient : C peut être de l'ordre de quelques dizaines de pF. Selon la figure 4c, la fréquence F' est légèrement supérieure s à Fs, et la pente de la courbe d'impédance à cette fréquence est beaucoup plus forte, ce qui traduit l'augmentation importante de Ls. Des variations même importantes de Ls produisent des varia tions très faibles de la fréquence de résonance F . Typiquement, une s augmentation relative de Ls de l'ordre de 30 % ne produit une augmentation relative de la fréquence que de l'ordre de 10-4. Cette propriété est dûe à la très faible valeur de la capacité Cs des quartz. Comme, dans un filtre en Jaumann, les valeurs souhaitables des selfs et des fréquences sont déterminables à l'avance, il est possible de tenir compte de la modification de la fréquence que produit l'adjonction d'un condensateur série C. Pour ce faire, on met en oeuvre des quartz de fréquence légèrement inférieure à la fréquence souhaitée. Le calcul est effectué en utilisant la formule (4). La figure 5a représente la transformée de la figure 1 obtenue en rejetant à l'infini les capacités CO selon la théorème de Bartlett, et en la remplaçant par des circuits accordés Le, Ce et T i, Ci. Les courbes d'impédance des deux quartz X1 et X2 de la première branche après transformation est illustrée en pointillés à la figure 5b, et l'impédance résultante est donnée par la courbe en traits pleins. Selon la figure 6a, la figure 2 a également été transformée en rejetant à l'infini les capacités CO selon le théorème de Bartlett. La courbe d'impédance de la première branche après transformation est alors illustrée en traits pleins à la figure 6b sur laquelle on voit que la pente de variation de l'impédance est plus accentuée, ceci étant dû à la présence des condensateurs série C1 et C2 De ce fait, la réponse du filtre, dont la bande passante s'étend entre les fréquences de résonance série FB et FH de la première branche, présente des flancs raides, sans que les remontées d'amortissement RB et RH soient trop fortes. C'est précisément l'ajustement précis des rapports entre les selfs des quartz des deux branches qui permet d'obtenir des flancs raides, concurremment avec des remontées RB et RH peu accentuées.L'utilisation de condensateurs en série avec au moins un des quartz permet de déterminer ce rapport avec une précision élevee. La figure 7 représente une variante de la figure 2 dans laquelle un quartz X'1, de la première branche est associé à un transformateur T2 destiné à modifier la self du quartz X'1 de manière à obtenir un rapport élevé entre celle-ci et la self du quartz X'2. Le quartz X'1 est associé à un condensateur série C'1 qui permet d'effectuer le réglage fin de la self résultante du quartz X'1, compensant ainsi l'approximation à un demi-tour près du nombre des spires du transformateur T2. La figure 8 représente un filtre à 7 quartz, la première branche en comportant quatre, à savoir X'1, X'2, X'3 et X'4 associés à des condensateurs série C'1, C'2, C'3 et C'4, et la seconde branche en cornportant trois, à savoir X'5, X'6 et X'7 associés à des condensateurs série C15, C'6 et C'7. Les selfs de chacun des quartz subissent en outre une transformation d'impédance opérée par un auto-transformateur de sortie T3 dont un point constitue la sortie S du filtre. Comme dans le cas de la figure 7, les condensateurs série permettent de réaliser le réglage fin des selfs des quartz. Selon la figure 9, chaque branche comporte deux quartz respectivement X1 et X'2 et X'3 et X4 et la transformation d'impédance est réalisée pour deux des quartz X'2 et X'3 grâce à deux bobinages supplémentaires B3 et B4 du transformateur d'entrée T4. Chacun des quartz X1, X'2, X'3, X4 est associé à un condensateur série respectivement C1, C'2, C'3 et C4. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits et représentés. Il n'est notamment pas impératif que chaque quartz soit associé à un condensateur série. Seul le ou les quartz dont la self doit être réglée avec précision peuvent être associés à un condensateur série. D'autre part, l'invention s'applique également aux schémas équivalents par transformation aux filtres en Jaumann, notamment aux filtres en treillis. REVENDICATIONS 1. Filtre à cristaux piézo-électriques du type Jaumann à savoir comprenant un transformateur différentiel dont le primaire constitue l'entrée du filtre et dont le secondaire comporte deux bobinages dont chacun présente une première extrémité est à la masse et dont l'autre extrémité est reliée à une première extrémité d'une branche comportant au moins un dit cristal piézo-électrique, les secondes extrémités desdites deux branches étant couplées entre elles pour constituer la sortie du filtre caractérisé en ce qu'au moins un dit cristal piézo-électrique (X1, X2, X3) est disposé en série avec un condensateur (C1, C2, C3) destiné à réaliser l'ajustage de la self du cristal. 2. Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins une branche présente une pluralité de cristaux piézoélectriques (X1, X2) disposés en parallèle. 3. Filtre selon une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte un transformateur d'impédance destiné à réaliser une conversion de la self d'au moins un cristal. 4. Filtre selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit couplage des secondes extrémités desdites deux branches est réalisé par l'intermédiaire d'un transformateur (T2, T3) recevant une extrémité d'au moins un dit cristal piézo-électrique X'1 ... X'7). 5. Filtre selon la revendication 3, caractérisé en ce que le secondaire du transformateur différentiel présente au moins un bobinage additionnel (B3, B4) recevant une extrémité d'au moins un dit cristal piézo-électrique (X1, X ).