Brevet FR2613538A1 — publié le 19881007

FILTRE HYPERFREQUENCE La présente invention se rapporte aux filtres, notamment aux filtres hyperfréquences. En électronique, et notamment en hyperfréquen I1 est connu de réallser des filtres hyperfréquences comportant des éléments discrets, appelés filtres à constante localisée. Ces filtres présentent un encombrement n "portant, particulièrement pour les plus basses fréquences. Cet encombrement se caractérise le plus souvent par unrv grande épaisseur due à la taille et au nombre de self-intluctanees utilisées. Les filtres à constante localisée sont d'un coût de fabrication très élevée, la reproductibilité étant difficile. D'autre part, il est connu de réaliser des riltres à constante répartie. Un tel filtre comporte des résonataurs. Le signal se propage par couplage entre les résonateurs consécutifs du filtre. Les filtres à constante répartie sont réalisés en technologie stripline, les résonateurs étant dépo és par métallisation sur une face d'un diélectrique å faible serte, la métallisation de la seconde face constituant le plan de masse. Enfin, il est connu de réaliser des filtres appelés combline comportant des résonateurs droits dont les e > trémités, sont connectées, d'une part directement, et d'autre part à travers un condensateur variable, au plan de masse. L"s filtres de type combline présentent des difficultés de réali-:ation et d'obtention du filtrage désiré. De plus la proxil lité des condensateurs variables pose des problèmes d'encombren ent pour la construction du filtre ainsi que des problèmes de nstantes localisées sur un filtre à constante répartie en augmentait l'encombrement. Les filtres selon la présente invention comportent des résonateurs en U, aussi appelés en épingle à cheveux (hairpine en terminologie anglo-saxonne) connectés à au moins un condensateur variable. La présence du condensateur variable permet d'ajuster, dans une très large plage la réponse en fréquence du filtre construit. Les filtres selon la présente invention présentent une excellente reproductibilité du fait que la plage de réglage est très large. Ainsi, il est possible de compenser la variation de fabrication provenant notamment des trous métallisés inFluençant la réponse en fréquence du filtre, des variations de tolérance sur la permitivité diélectrique C R ou des effets des touts de ligne. De plus, le réglage permet d'avoir un filtre unique pour une large bande de fréquence. De plus il est possible d'éloigner les capacités ainsi de limiter le couplage entre les capacités et les résonateurs tout en exploitant au mieux la surface du filtre pour l'iml.lantation mécanique desdites capacités. De plus, le schéma équivalent des filtres selon la présente invention est extrêmement simple ce qui permet la tr tduction, par l'intermédiaire des schémas équivalents des filtres selon la présente invention. A partir de ces schémas la géomfitrie des filtres est susceptible d'être générée par des logiciels de conception assistée par ordinateur (CAO). L'invention a principalement pour objet ull filtre hyperfréquence comportant une pluralité de résonateurs en forme de U, deux résonateurs successifs présentant une zone de couplage électromagnétique, les premier et dernier ré onateurs en U étant reliés à des moyens de connexion d filtre, caractérisé par le fait que chaque résonateur en U est connecté électriquement à au moins un condensateur variable. L'invention sera mieux comprise au moyen de la description ci-après et des figures données comme des exemples non limitatifs parmi lesquels - la figure 1 est un schéma d'un premier exemple de realisation de filtre de type connu - la figure 2 est un second exemple de réalisation de filtre de type connu - la figure 3 est un premier exemple de réalisation de filtre selon la présente invention - la figure 4 est un deuxième exemple de réalisation de filtre selon la présente invention - la figure 5 est un troisième exemple de réalisation de filtre selon la présente invention - la figure 6 est un quatrième exemple de réalisation de filtre selon la présente invention - la figure 7 est une coupe selon la ligne AA' de la figure 6 - la figure 8 est un premier exemple de schéma emple de réalisation de la figure 6 du filtre selon la présente inverltion. - la figure 10 est une courbe montrant les perform.nces du dispositif de la figure 7. Sur les figures 1 à 10 on a utilisé les mêmes r;férences pour désigner les mêmes éléments. Sur la figure 1, on peut voir un exemple de réalis stion des filtres à constante répartie de type connu. Le filtre de la figure 1 comporte une pluralité de résonateurs 1 en forme de la lettre U. Les résonateurs sont aussi appelés résonareurs en épingle à cheveux (hairpin en terminologie anglo-saxonne). Chaque résonateur comporte deux branches de longueur L disposées symétriquement et orthogonalement par rapport à une base, les résonateurs 1 sont disposés en quinconce et d. manière à ce que les branches des deux résonateurs 1 successifs présentent un couplage électromagnétique. Dans l'exemple illustré les filtres comportant six résonateurs 1 en U. Le premier et dernier résonateur' 1 en U sont couplés avec des moyens de connexion 2. Dans l'exemple illustré sur la figure les moyens de connexion 2 comportent une branche de longueur L parallèle aux branches de premier et dernier résonateurs 1 ainsi qu une bande métallisée orthogonale terminée par un trou métallisé 3. La connexion électrique est réalisée au niveau du trou métallisé 3. Les filtres illustrés sur la figure 1 présentent le désavantage d'être d1une réalisation difficile et donc, Imour une tolérance de fabrication donnée d'un rendement médi.cre. En effet le bord des lignes ainsi que les trous mél?llisés 3 peuvent influencés la réponse en fréquence du filtre de type connu. De plus ces filtres sont d'un grand encombrement par rapport à la réalisation préférée du dispositif selon la présente invention. Le filtre de la figure 1 est rsialisé en technologie stripline. Les motifs illustrés sur la figure sont des métallisations déposées à la surface d'un diélectrique à faible perte, comme par exemple le PTFE. L'autre face du support en diélectrique à faible perte composite une métallisation constituant le plan de masse. Sur la figure 2, on peut voir un filtre de type (-onnu dit combline. Les filtres illustrés sur la figure 2 comp. > rte une pluralité de résonateurs droits 10. Les résonateurs droits 10 sont disposés parallèlement les uns par rapport aux autres. Chaque résonateur droit 10 est relié, par une première de ses extrémités à la masse 4, et par une seconde extrémité à une première armature d'un condensateur variable 5. La seconde armature du condensateur variable 5 est reliée à la mas 8 4. Le filtre illustré sur la figure 2 peut présenter des couplages parasites entre les capacités de condensateur variable 5 et le résonateur 10 et entre les capacités elles-même; du fait de leur proximité. De plus, l'encombrement des cond.nsateurs variables 5 pose des problèmes au niveau de la cor] struction géométrique du filtre du fait de leur proximité. Sur la figure 3, on peut voir un premier exemple de réalisation du dispositif selon la présente invention. Le filtre de la figure 3 comporte des résonateurs I en U dont les extrémités des deux branches sont reliées à la mas.'e 4 par l'intermédiaire de condensateurs à capacité variable 5. La présence de condensateurs à capacité variable 5 permet un ajustage fin du filtre particulièrement nécessaire avec les résonateurs en forme de U.Toutefois, le réglage est délicat du fait de la nécessité de tenir compte du réglage d'un condensateur variable 5 lors du réglage du second conxlensateur 5 relié à un même résonateur 1. Dsns l'exemple illustré sur la figure 3 le filtre comporte cinq résonateurs 1, il est bien entendu qu'un nombre différent ne sort pas du cadre de la présente invention. Sur la figure 4, on peut voir un deuxième exemple de réalisation du dispositif selon la présente invention. Les filtres selon la présente invention comporte une plu alité de résonateurs en forme de U. Dans l'exemple illustré sur la figure 4 le filtre comporte sept résonateurs, il est bien entez lu qu'un nombre différent de résonateurs ne sort pas du cad re de la présente invention. L'extrémité d'une première branche de chaque rés'nateur 1 en U est reliée à une première armature d'un condellssteur à capacité variable 5. La seconde armature de chaque con D'autre part, l'extrémité de la seconde branche de chaque résonateur en U est reliée à la masse 4. L'utilisation d'un condensateur unique par résonateur 1 en U permet de faciliter le réglage du filtre. Sur la figure 5, on peut voir un troisième exemple de réalisation du filtre selon la présente invention. Les filtres illustrés sur la figure 5 comportent cinq résonateurs 1 en U. I1 est bien entendu que l'utilisation d'un nombre différent de résonateurs en U ne sort pas du cadre de la présente invention. Les extrémités des deux branches de chaque réscnateur 1 en U sont reliées par l'intermédiaire d'un conden-ateur à capacité variable 5. La variation de la capas ité des condensateurs variables 5 permet l'ajustage du filtre. Sur la figure 6, on peut voir une variante de réalisation particulièrement avantageuse . du filtre selon la présente invention. Dans l'exemple non limitatif illustré sur la figure 6 les filtres comportent six résonateurs 1 en U. La base de chaque résonateur 1 en U est connectée à une première armai ure d'un condensateur variable 5. La seconde armature des cond Avantageusement, la connexion de la base du résonateur 1 en U à la première armature du condensateur à capacité variable 5 est effectuée au niveau d'un axe de symétrie 15 dudit résonateur 1 en U. Sur la figure 6, les condensateurs 5 sont représentés à l'extérieur des U formés par le resonatfsur 1. I1 est bien entendu que les condensateurs variables 5 connectés à l'intérieur des U formés par les résonateurs 1 ne sori pas du cadre de la présente invention. La capacité d'un condensateur variable 5 est quatre fois supérieure à celle nécessaire aux autres réalisai ions du dispositif selon la présente invention Ainsi, il "st plus facile d'effectuer le réglage du filtre de la figure 6 et surtout la valeur de la capacité reste réalisable phy'. iquement si l'on monte en fréquence (bande L, Pour les divers exemples de réalisation du filtre selon la présente invention on a utilisé par exemple les cond La longueur L des branches des résonateurs 1 g pour #g/4 g /4 nécessaire à la réalisation d'un même filtre en utilisant des résonateurs en U de l'art antérieur. Ainsi les filtres réalisés selon la présente invention ont un encombrement moindre. Cette diminution d'encombrement est particulièrement importante pour la réalisation des filtres des éql r ipements embarqués par exemple à bord d'avion ou de satellite. Sur la figure 6 on a illustré un exemple de rialisation dans lequel on a utilisé comme moyen de connexion un couplage direct 20. Le couplage direct 20 est une mél allisation directement connectée sur le premier et dernier résonatcurs 1 en U. Le couplage direct supprime le problème posé dans le cas de larges bandes passantes. En effet, dans ce cas, la distnce d'un couplage électromagnétique est difficilement -éalisable ((100 Cul). L'endroit de la branche du résonateur en U à laquelle on effectue Is connexion directe 20 est déterminé par le calcul en utilisant le logiciel spécifique développé pour le calcul des éléments du filtre.La connexion en bout de métallisation 20 constituant le couplage direct est réalisée par exemple par l'intermédiaire d'un trou métallisé 3. I1 est bien entendu que la connexion directe n'est pas limitée à l'exemple de réalisation de la figure 6 mais peut être utilisée dans les exemples de réalisation du filtre selon la présente invention illustrée par les figures 3, 4 et 5. De plus, le comportement du filtre illustré sur la figure 6 varie peu avec la température. En effet l'influence de la température à des effets contraires sur les résonate Avantageusement, les filtres selon la présente invention sont réalisés en technologie triplaque Un exemple de réalisation d'un filtre en technologie triplaque est illustré sur la figure 7. La figure 7 correspond à un (létal de réalisation du filtre de la figure 6 vu en coupe selon l'axe AA'. En technologie triplaque les résonateurs 1 en forme de U sont placés sensiblement dans un plan inclus tans un diélectrique 7 à faible perte. Au moins deux faces du diélectrique sont recouvertes par une métallisation constituant le plan de masse 4. Avantageusement le diélectrique 7 à faible perte forme un parallélépipède rectangle dont les six fonces sont recouvertes par des métallisations formant le plan de masse 4 dudit filtre.Les connexions verticales portent les rr;férences 13. Elles permettent, d'une part de connecter les extrémités des branches du résonateur 1 en U au plan de masse 4, et d'autre part de connecter le condensateur à capacité variable 5 à la base des résonateurs 1 en U. Dans l'exemple illustré sur la figure 7 la métalliF ation du plan de masse 4 comporte des épargnes 9 évitant de court-circuiter les bases des résonateurs en U avec la masse. Les condensateurs à capacité variable 5 sont relçrésentés schématiquement sur la figure 7. Dans un exemple réel les condensateurs à capacité variable 5 seront implantés paw exemple à la surface du filtre selon la présente invention. Dans le cas où le filtre selon la présente invention est enfermé dans un boîtier hermétique il est possible de laisser dépasser les vis de réglage des condensateurs à capacité variable 5. La réalisation en technologie triplaque n'est pas limitée à l'exemple de réalisation du filtre selon l'invention de la figure 6. La technologie triplaque peut aussi s'appli Sur la figure 8, on peut voir une représentation symbolique du couplage entre deux résonateurs 1. Le couplage esi effectué sur la figure 8 entre deux lignes 30 et 31 d'impédanne ZO et dont la longueur est égale à l'angle électrique 0. La ligne 30 comporte une entrée au point A et une connexion à la masse 4. La ligne 31 comporte une sortie en un point B ol)posé au point A et une connexion à la masse. Sur la figure 9, on peut voir un schéma équivalent d'une portion du filtre selon la présente invention établie d après le livre de Matthaei édition 1980, Microwave Filters, llnpedance Matching Networks and Coupling Structures. Une portion correspondant à deux branches couplées des deux résollateurs 1 (le condensateur variable n'est pas dans le schéma équivalent) correspond à une ligne série 21 et deux lignes psrpllèles 22 (stubs en terminologie anglo-saxonne d'angle électrique e). La ligne 21 d'angle électrique e correspond au couplage entre deux résonateurs. La ligne 22 d'angle électrique e correspond aux branches des résonateurs 1 en formo de U. Avantageusement, on traduit le filtre que l'on veut ou'tenir en son schéma équivalent en utilisant les critères dolés dans l'ouvrage de Matthaei. Ainsi il est possible d'utiliser un logiciel de conception assisté par ordinateur pcur leur réalisation, on peut par exemple utiliser le logiciel 'le CAO, ESOPE, SUPERCOMPACT ou TOUCHSTONE. Avantageusement, la traduction est effectuée par un calculateur auquel on indique le filtre que l'on veut obtenir. Sur la figure 10, on peut voir la courbe de réponse de deux filtres identiques l'un réalisé en technologie microstrip, l'autre réalisé en technologie triplaque. La courbe 24 correspond à la technologie triplaque. La courbe 23 correspond à la technologie microstrip. Le bruit obtenu est plus raible en technologie triplaque. Le gain étant de l'ordre de 1' dB. La réduction de traînage est particulièrement importante dans les applications nécessitant une bonne rejection des signaux parasites. Un avantage important du filtre selon la présente invention réside dans le rendement de fabrication fortement amélioré, les variations de caractéristiques du filtre pouvant être rattrapées par le réglage des condensateurs à capacité variable 5. Ainsi, il est possible d'intégrer sur un mêm circuit imprimé hyperfréquence un filtre et un circuit actif comme par exemple un amplificateur. Le risque que le circuit entier ne présente pas les caractéristiques désirées du fait d' m filtre défaillant est réduit dans de très larges propos ions en utilisant le filtre selon la présente invention. Dans un exemple de réalisation un filtre selon la présente invention correspondant à la figure 6 a été optimisé pour fonctionner à 728 MHz. Ce filtre a parfaitement fonction né, sans détérioration du comportement aux fréquences 800 MHz, 958 MHz et 1 GHz. La technologie selon la présente invention est utilisable à partir de hautes fréquences radioélectriqr les . Son efficacité est notablement très importante dans les bandes VHF, UHF et en bande L. L'invention s'applique principalement à la réalisption des filtres hyperfréquences et aux dispositifs utilisant de tels filtres. REVENDICATIONS 1. Filtre hyperfréquence comportant une plul alité de résonateurs (1) en forme de U, deux résonateurs (1) successifs présentant une zone de couplage électromagnétique, ler premier et dernier résonateurs (1) en U étant reliés à des mayens de connexion (2, 20) du filtre, caractérisé par le fait que chaque résonateur (1) en U est connecté électriquement à au Inoins un condensateur variable (5). 2. Filtre hyperfréquence selon la revendication tion 1, caractérisé par le fait que chaque extrémité de chaque résonateur (1) en U est connectée électriquement à une première armature d'un condensateur variable (5) les secondes armatures desdits condensateurs variables (5) étant reliées à la masse (4). 3. Filtre hyperfréquence selon la revendie;tion 1, caractérisé par le fait qu'une première extrémité de chaque résonateur (1) en U est connectée électriquement à une première armature d'un condensateur variable (5), les secondes armatures desdits condensateurs variables (5) ainsi que les secondes extrémités de chaque résonateur (1) en U étant relises à la masse (4). 4. Filtre hyperfréquence selon la revendic; tion 1, caractérisé par le fait que les extrémités des résonareurs (1) en U sont reliées par l'intermédiaire d'un condensateur variable (5). 5. Filtre hyperfréquence selon la revendic?tion 1, caractérisé par le fait que chaque résonateur (1) en U est connecté à un condensateur variable (5) sensiblement au univeau de l'axe de symétrie (15) desdits résonateurs (1). 6. Flltre selon la revendication 5, caractérisé par le fait que la longueur L de chaque branche des résonateurs (1) en U est inférieure, #g/8, #g étant la longueur d'onde de la g g fréquence centrale des ondes propagées par le filtre. 7. Filtre selon l'une. quelconque des revelldications précédentes, caractérisé par le fait que les moyens de (onnexion (2, 20) du filtre comporte des bandes métalliqlles (20) connectées électriquement au premier et au dernier résonateur (1) en U. 8. Filtre selon l'une quelconque des revelsdications précédentes, caractérisé par le fait que les résonateurs (1) en forme de U sont placés sensiblement sur un plan inclus dans un diélectrique (7) à faibles pertes, au moins deux faces du diélectrique (7) étant recouvertes par une mélallisation constituant le plan de masse (4) du filtre. 9. Filtre selon la revendication 8, caractérisé ps r le fait que le diélectrique (7) à faibles pertes forme un parallélépipède rectangle dont les six faces sont re. ouvertes par des métallisations formant la masse (4) dudit filtre. 10. Filtre selon l'une quelconque des revei'dlcations précédentes, caractérisé par le fait que les extrémités des résonateurs (1) en U sont connectées électriquement à la masse (4).