Brevet FR2626716A1 — publié le 19890804

o262716 FILTRE A RESONATEURS PLANS DESCRIPTION La présente invention a pour objet un filtre à résonateurs plans. Le domaine technique de l'invention est la radioélectricité, l'électronique, le filtrage et le multiplexage de fréquences, etc... L'invention trouve une application particulière dans la réalisation de stations de réception de signaux de télévision diffusés par satellites. L'un des problèmes posés dans cette technique est de réaliser, dans la station de réception, un filtre fonctionnant dans la bande de fréquences 950-1750 MHz et permettant de réaménager très facilement les plans de fréquences, en fonction des disponibilités en canaux et de la demande des usagers. Parmi les nombreux types de filtres existants (du type à cellules LC couplées, hélicodaux, coaxiaux, à quartz, à guide d'onde, à résonateur diélectrique,...), il n'en existe pas qui présente à la fois un faible coût, une grande facilité de 2C réglage, une bonne stabilité et une plage de fonctionnement allant de fréquences aussi basses que quelques dizaines de mégahertz à des fréquences supérieures à 2000 MHz. La présente invention a justement pour but de remédier à cette carence en proposant un filtre qui présente tous ces avantages. Le filtre de l'invention est du type à résonateurs couplés. Chaque résonateur est constitué par une cellule de type LC, c'est-à-dire constitué par la combinaison d'une inductance et d'une capacité. La caractéristique du filtre de l'invention est d'utiliser des résonateurs plans constitués par des microcircuits réalisés selon la technologie des circuits imprimés. De manière plus précise, l'invention a pour objet un filtre du type à résonateurs couplés, caractérisé par le fait qu'il comprend: - un substrat en matériau diélectrique, - sur l'une des faces de ce substrat une couche conductrice formant plan de masse, - sur l'autre face de ce substrat une pluralité de microrubans conducteurs dessinant chacun un contour ouvert, un condensateur réglable connecté à travers chaque ouverture du contour. De toute façon, les caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lumière de la description qui suit. Cette description porte sur des exemples donnés à titre explicatif et non limitatif et elle se réfère à des dessins annexes sur lesquels: - la figure 1 montre un résonateur plan, - la figure 2 illustre le schéma électrique équivalent d'un résonateur plan, - la figure 3 montre une variante à deux ouvertures et à deux condensateurs, - la figure 4 illustre une variante à contour replié, - la figure 5 montre un filtre selon l'invention dans sa totalité, - La figure 6 donne les dimensions d'un filtre selon un exemple de réalisation, - la figure 7 montre une caractéristique d'atténuation d'un filtre passe-bande conforme à l'invention, dans une plage allant de 1 MHz à 2000 MHz, - la figure 8 montre l'atténuation de ce même filtre autour de la fréquence centrale, dans une bande de largeur MHz, - la figure 9 montre la caractéristique d'un filtre passe-bande selon l'invention autour de la fréquence centrale dans une bande de 40 MHz, - la figure 10 montre une autre caractéristique (temps de groupe) d'un filtre passe-bande selon l'invention autour de la fréquence centrale, dans une bande de 100 MHz. Un résonateur plan selon l'invention est représenté sur 2 62716 la figure 1, en vue de dessus (a), en coupe (b) et dans une variante à bottier métallique (c). Cet élément comprend un substrat plan 10, en matériau diélectrique (par exemple en verre époxy, en téflon,...). Sur la face inférieure de ce substrat, on trouve dans la variante des figures (a) et (b), une couche conductrice 12 (en cuivre par exemple) formant plan de masse et sur la face supérieure, un microruban 14 en matériau conducteur (en cuivre par exemple). Dans la variante de la figure c, le filtre est disposé dans un boîtier métallique 20 et le plan de masse est constitué par les parois métalliques 22 inférieure et supérieure. Le microruban dessine un contour "ouvert" en ce sens qu'il entoure incomplètement une partie du plan. En d'autres termes, il présente au moins une ouverture. Sur la figure 1, ce contour est rectangulaire et l'ouverture (unique) est référencée 16. Connecté à travers cette ouverture se trouve un condensateur 18 réglable ou ajusté une fois pour toutes. Le schéma électrique équivalent est représenté sur la figure 2 en considérant encore l'élément en vue de dessus (a) et en coupe (b) dans la variante o le plan de masse est disposé sous le substrat. Sur cette figure, on voit une inductance L, due au microruban non rectiligne, un condensateur d'accord Ca connecté entre les extrémités du ruban, et des condensateurs parasites Cp, qui correspondent au volume séparant le microruban et le plan de masse. Le fonctionnement de ce résonateur est alors le suivant. En désignant par l la Longueur du microruban et par la longueur d'onde dans le substrat à La fréquence de fonctionnement, on supposera tout d'abord que l est inférieur ou égal à À/8. Soit fo la fréquence centrale du filtre à réaliser; cette fréquence est déterminée par la relation classique: fo = ---- (1) L. o L est l'inductance et C la capacité équivalente du résonateur. On commence par déterminer une valeur de L réalisable pratiquement. On détermine pour cela la longueur d'onde o dans le substrat correspondant à fo, puis la valeur de Xo/8 et on choisit une longueur de microruban inférieure à cette valeur. La valeur de l'inductance L peut être obtenue de manière approchée par la formule: z L = l x --- (2) v Dans cette expression: - L est la valeur de l'inductance exprimée en Henry, - l est la longueur du microruban, en mètre, - Z est l'impédance de la ligne, en Ohm, et - v est la vitesse de phase. On a par ailleurs: c v = -----(3) t reff expression dans laquelle 8 - c est la vitesse de phase dans le vide (soit 3.10 m/s), - t reff est la constante diélectrique efficace du substrat, soit Ereff = tr + -I (4) =* à à à(4) 2 2 h 21+10 - w o - r est la constante diélectrique du substrat, - h est l'épaisseur du substrat, - W est la largeur du microruban. La valeur Cp de la capacité parasite peut être obtenue par une formule du type Cp 17,7 _r. H (2h) (5) --W o H désigne un coefficient, fonction de la géométrie du circuit. La valeur de la capacité d'accord Ca à placer entre les deux extrémités du ruban se déduit de la formule (1), sachant que: Cp C = Ca + -- (6) Ainsi, se trouvent définis les paramètres du circuit résonnarnt. La longueur du microruban couplé et le degré de couplage sont déterminés expérimentalement. Quand la fréquence fo croit, la valeur et les dimensions des éléments L et C décroissent et l'on se heurte à une limite dans la réalisation pratique du filtre. Mais cette limite peut être dépassée si l'on répartit la capacité le long du microruban. Sur la figure 3, par exemple, on voit que le contour dessiné par le microruban présente deux ouvertures 16, 16' (au lieu d'une seule). Chacune peut être pourvue d'un condensateur réglable 18, 18'. Chaque condensateur peut alors avoir une capacité de 2 Ca. Naturellement, on pourrait utiliser plus de deux condensateurs, le cas échéant. Pour repousser encore ces limites, on peut utiliser un substrat ayant une faible constante diélectrique (les relations 2-3 et 4 montrent en effet que si r diminue reff diminue, v augmente et L diminue pour une longueur l donnée). Inversement, quand la fréquence fo décroit, la valeur et les dimensions des éléments L et C croissent et l'on atteint une autre limite à la réalisation pratique du filtre. Pour la franchir, il est possible de réduire les dimensions de la cellule en repliant le microruban comme illustré sur la figure 4. Mais cette solution réduit la longueur de couplage avec la cellule suivante. 262671 6 La figure 5 montre un filtre complet composé de cinq résonateurs plans C1 à C5 sur un substrat unique 10 avec une microbande d'entrée E et une microbande de sortie S. Dans le cas illustré, les contours dessinés par le microruban sont rectangulaires, deux contours adjacents ayant deux côtés parallèles. La figure 6 donne les principales dimensions d'un exemple de filtre conçu pour présenter une fréquence centrale fo égale à 1131,620 MHz. Les dimensions sont en millimètres. Les condensateurs sont réglables de 0,5 à 5 pF. Le substrat est en verre époxy de 16/10 de mm d'épaisseur. Dans cet exemple de réalisation, les contours dessinés par les microrubans sont en forme de U, c'est-à-dire de rectangles auxquels il manque un côté. L'orientation de ces U alterne d'un résonateur à l'autre, de sorte que les condensateurs sont placés des deux côtés du filtre, tantôt en haut, tantôt en bas (au sens de la figure 6). Les figures 7, 8 et 9 montrent la caractéristique d'atténuation d'un filtre obtenu selon l'invention, avec des échelles de fréquence (en abscisses) différentes. Sur la figure 7, la courbe va de 1 -à 2000 MHz; sur la figure 8, la largeur de la bande de mesure est de 100 MHz; sur la figure 9, elle est de MHz. La courbe de la figure 10 représente la caractéristique de temps de groupe du filtre en nanoseconde par division. Naturellement, si la description qui précède met l'accent sur des contours rectangulaires ce n'est qu'à titre explicatif. Toute autre forme est possible: triangulaire, circulaire, elliptique, en losange, etc. REVENDICATIONS 1. Filtre du type à résonateurs couplés, caractérisé par le fait qu'il comprend: - un conducteur (12) formant plan de masse, - en regard de ce plan de masse une pluralité de microrubans conducteurs (14) déposés sur l'une des faces d'un substrat diélectrique, chaque microruban dessinant un contour ouvert, - un condensateur (18) connecté à travers chaque ouverture (16) des contours. 2. Filtre selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le conducteur formant plan de masse est une couche conductrice déposée sur L'autre face du substrat (10) en matériau diélectrique. 3. Filtre selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il est disposé dans un bottier conducteur (20) et que le conducteur formant plan de masse est constitué par le boitier(20-22). 4. Filtre selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le contour présente au moins en partie une forme prise dans le groupe qui comprend les formes rectangulaire, triangulaire, circulaire, elliptique, en Losange, en U, etc.. 5. Filtre selon la revendication 1, caractérisé par le fait que chaque microruban est replié sur lui-même. 6. Filtre selon la revendication 1, caractérisé par le fait que chaque contour présente plusieurs ouvertures (16, 16') pourvue chacune d'un condensateur (18, 18').