Brevet FR2652211A1 — publié le 19910322

La présente invention a pour objet un résonateur hyperfréquence actif et l'utilisation d'un tel résonateur pour la réalisation de filtres actifs. Les résonateurs employés dans le domaine des hyperfréquences sont souvent couplés à des lignes de transmission. Ils forment le constituant de base d'un filtre. Ils sont le siège de pertes et, par conséquent, ils ont une surtension limitée. De manière à augmenter leur surtension, de tels résonateurs sont rendus actifs au moyen d'un élément d'amplification, technique connue par ailleurs dans l'électronique à plus basse fréquence. Un filtre actif comprenant un résonateur diélectrique est notamment décrit dans le document "An active microwave filter with dielectric resonator" de H. MATSUMURA et Y. KONISHI paru dans IEEE MTT-S Int. Microwave Symp.Dig. 1979. Ce résonateur est couplé d'une part à une ligne de transmission et d'autre part à une boucle de contre-réation comprenant un amplificateur. La surtension de ce filtre est ainsi beaucoup plus importante que celle du résonateur diélectrique. Cependant ce résonateur est un composant qui est cher et encombrant. Il est ainsi difficile de le raccorder au circuit principal compte-tenu des contraintes de connexion spécifiques aux hyperfréquences. La présente invention a ainsi pour but un résonateur hyperfréquence actif de faible coût qui, de plus, peut s'intégrer directement sur un circuit hyperfréquence tel qu'un circuit imprimé, un circuit hybride couches épaisses ou couches minces, ou un circuit monolithique. Le résonateur hyperfréquence actif selon l'invention comprend une section de ligne dont la longueur est multiple d'une demi-longueur d'onde, et comprend aussi une boucle secondaire pourvue d'un module d'amplification couplée par couplages capacitifs aux extrémités de cette section de ligne, le retard de phase résultant de la section de ligne, de la boucle secondaire et des couplages capacitifs correspondant à un multiple de cette longueur d'onde. Avantageusement, le résonateur hyperfréquence actif comprend au moins un condensateur ou une diode à capacité variable qui fait varier cette longueur d'onde. De plus, le résonateur hyperfréquence actif comprend des moyens pour faire varier cette longueur d'onde en modifiant la constante diélectrique du milieu de propagation. En outre, le résonateur hyperfréquence actif se caractérise en ce qu'il comprend des moyens pour faire varier cette longueur d'onde en modifiant la perméabilité magnétique du milieu de propagation. Par ailleurs, le résonateur hyperfréquence actif comprend des moyens pour faire varier la surtension par modification des pertes du milieu de propagation. De plus, le résonateur hyperfréquence actif comprend un atténuateur pour faire varier la surtension. Dans un premier mode de réalisation, le résonateur hyperfréquence actif se caractérise en ce que la section de ligne est couplée à ses deux extrémités à la ligne de transmission par effet capacitif Dans un second mode de réalisation le résonateur hyperfréquence actif se caractérise en ce que la section de ligne est couplée à une de ses extrémités à la ligne de transmission par effet capacitif et est prolongée à son autre extrémité par une portion de ligne contiguë dont la longueur est la somme d'un quart de cette longueur d'onde et d'un nombre entier de fois cette demi-longueur d'onde, cette portion de ligne se terminant par un court-circuit. Un filtre actif passe-bande selon l'invention comprend au moins deux résonateurs hyperfréquences actifs selon l'invention le premier de ces résonateurs étant couplé à une de ses extrémités à la ligne de transmission par effet capacitif et à son autre extrémité au résonateur suivant, le dernier de ces résonateurs étant couplé à une de ses extrémités au résonateur qui le précède et à son autre extrémité à la ligne de transmission par effet capacitif, les éventuels résonateurs supplémentaires étant couplés d'une part au résonateur précédent, d'autre part au résonateur suivant. Un filtre actif stop-bande selon l'invention comprend au moins deux résonateurs hyperfréquences actifs selon l'invention, ces résonateurs étant couplés par effet capacitif à la ligne de transmission à des intervalles équivalents à un quart de la longueur d'onde. Un filtre actif directif selon l'invention comprend deux résonateurs hyperfréquences actifs selon l'invention, ces deux résonateurs étant couplés à une de leurs extrémités à une première ligne de transmission et à leurs autres extrémités à une deuxième ligne de transmission. Les différents objets et caractéristiques de l'invention seront maintenant exposés de façon plus précise dans le cadre de la description d'exemples de réalisation donnés à titre non limitatif et en se référant aux figures annexées qui représentent - la figure 1, une boucle secondaire couplée à une ligne de transmission, - la figure 2, le schéma équivalent au circuit précédent, - la figure 3, un premier type de résonateur hyperfréquence actif, - la figure 4, un deuxième type de résonateur hyperfréquence actif, - la figure 5, un troisième type de résonateur hyperfréquence actif, - la figure 6, un quatrième type de résonateur hyperfréquence actif, - la figure 7, un cinquième type de résonateur hyperfréquence actif, - la figure 8, un sixième type de résonateur hyperfréquence actif, - la figure 9, une boucle secondaire, - la figure 10, le schéma électrique d'un résonateur hyperfréquence actif à accord de fréquence et réglage de surtension. - la figure 11, un filtre actif passe-bande, - la figure 12, un filtre actif stop-bande, - la figure 13, un premier type de filtre actif directif, - la figure 14, un deuxième type de filtre actif directif, - la figure 15, une variante de réalisation d'un résonateur hyperfréquence actif. Les éléments présents dans différentes figures porteront une seule référence. Pour mieux comprendre l'invention, il est nécessaire, dans un premier temps de fournir les explications qui suivent. Une ligne de transmission se caractérise au moyen de différents paramètres, notamment par son coefficient d'affaiblissement lineique et par son coefficient de déphasage lineique . . La surtension d'une telle ligne est Q Il sera maintenant démontré que l'affaiblissement de cette ligne peut etre diminué de manière à augmenter la surtension, par l'adjonction d'une boucle secondaire pourvue d'un module d'amplification. En se référant à la figure 1, les points 1, 2 déterminent les zones de couplage capacitif de la boucle secondaire 3 à une section de ligne 4 comprise dans la ligne de transmission 5 ; ces couplages peuvent être réalisés également par des condensateurs rapportés. La puissance se transmet du point 1 vers le point 2. Le module d'amplification 6 prélève une partie du signal au point 2, l'amplifie, et la réinjecte au point 1. Différentes notations seront précisées en se reportant à la figure 2 qui est un schéma équivalent au circuit précédemment décrit. E étant la grandeur caractéristique du circuit, le champ électrique par exemple, Eo est la valeur de E immédiatement en amont du point 1 sur la ligne 5, E1 sa valeur immédiatement en aval du point 1, E2 sa valeur immédiatement en aval du point 2 sur la ligne 5 et Er1 sa valeur immédiatement en amont du point 1 sur la boucle secondaire. C1 et C2 sont les coefficients de couplage de E aux points 1 et 2 ; C1 et C22 sont donc les coefficients de couplage en puissance. La fonction de transfert de la boucle secondaire peut s'écrire C1C2 ou est le coefficient d'amplification de la boucle, et > le déphasage introduit par cette boucle y compris les deux couplages. La section de ligne 4 ayant une longueur 1, sa fonction de transfert peut d'écrire e(-&alpha; + jss)l Dans un but de simplification, Eo sera normalisé à 1. Lors du premier trajet de l'onde - E1 = (1-C12) Ya Lors du second trajet de l'onde. Er1 vient s'ajouter à El et on obtient les nouvelles valeurs suivantes En notant On peut écrire E2 = u (1 + q) Pour le nième trajet 2 h E2 = u (1 + q + q +. ..+q Ainsi, la valeur réelle de E2 , c'est-à-dire lorsque n est infini, est la somme d'une suite géométrique de premier terme u et de progression q dont la condition de convergence est q Considérant maintenant que le circuit est accordé sur une longueur d'onde # , 1 sera choisi comme un multiple impair de et et # comme comme un multiple impair de : La réalisation d'une ligne active impose, par exemple de fixer le module de E2 égal à l'unité cette solution vérifie bien la condition de convergence Il est ainsi démontré que l'on peut réaliser une section de ligne présentant une surtension très élevée, infinie à la limite. Il s'ensuit que l'ensemble des résonateurs qui utilisent des lignes de transmission peuvent être rendus actifs par l'adjonction d'une boucle secondaire pourvue d'un module d'amplification. La section de ligne sur laquelle est réalisée le couplage capacitif de la boucle secondaire, peut être ouverte à l'une, l'autre, ou à ses deux extrémités de manière à réaliser un autre couplage capacitif à la ligne de transmission pincipale ou à une autre section de ligne. Le terme section de ligne doit être compris dans un sens très général. Il peut s'agir en effet d'une ligne à microruban, d'une ligne triplaque, d'un câble coaxial, d'un guide métallique ou d'un guide diélectrique mais également de l'association d'éléments tels que des condensateurs et des inductances, ces éléments pouvant être réalisés en technologie microruban, par exemple. L'invention est particulièrement adaptée à des réalisations de circuits sur substrat plan. Plusieurs exemples seront maintenant présentés en se référant à l'ouvrage Microwave filters, Impedance-matching networks and coupling structures de George L. MATTHAEI, Leo YOUNG et E.M.T. JONES, Mc Graw-Hill Book Company qui propose divers types de résonateurs passifs. Un résonateur actif s'obtient ainsi par couplage capacitif d'une boucle secondaire selon l'invention à une structure passive. Le paramètre n qui apparaltra maintenant est un nombre entier supérieur ou égal à 1. Des résonateurs passe-bande actifs prendront notamment les formes suivantes - résonateur /2 couplé en bout par effet capacitif, représenté dans la figure 3, ou la boucle secondaire 3 est couplé à la section de ligne 43 elle-même couplée à la ligne de transmission 53 par effet capacitif - résonateur /2 à stub de masse en /4 couplé en bout par effet capacitif, représenté dans la figure 4, où la boucle secondaire 3 est couplée à la section de ligne 44 qui comprend deux stubs de masse et qui est elle-même couplée par effet capacitif à la ligne de transmission 54 - résonateur à lignes parallèles couplées en à circuit ouvert en bout, représenté dans la figure 5, où une section de ligne 45 de longueur est couplée à la ligne de transmission 55 par deux couplages la boucle secondaire 3 étant couplée à cette section de ligne 45 comme précedemment; - résonateur type Hairpin à circuit ouvert en bout, représenté dans la figure 6, similaire au précédent si ce n'est que la section de ligne 46 est repliez les deux extrémités de la ligne de transmission 56 se situant du même côté de la boucle secondaire 3 - resonateur en hélice à couplage capacitif, représenté dans la figure 7 où la section de ligne se compose de deux capacités de couplage 71, 72, entre lesquelles est intercalée une inductance 73 pourvu de deux plages 74, 75 à ses extrémités, la plage centrale 75 étant reliée par cablage à une troisième plage 76, la boucle secondaire 3 étant couplée par effet capacitif aux plages 74, 76. Un résonnateur stop-bande, représenté dans la figure 8, comprend un tronçon de ligne 81 qui, à une de ses extrémités et couplé à la ligne de transmission 58 par effet capacitif et à l'autre extrémité, distante de (2n + 1) /4 , est raccordé à la masse. La section de ligne 48 sur laquelle est couplée la boucle secondaire 3 est comprise dans le tronçon de ligne 81, a une longueur de /2, et a une extrémité qui jouxte la ligne de transmission 58. La boucle secondaire commune à tous ces résonateurs actifs sera maintenant détaillée en se référant à la figure 9. Elle comprend une ligne d'entrée 91 dont une extrémité 92 sera couplée à une section de ligne et une ligne de sortie 93 dont une extrêmité 94 sera, elle aussi couplée à cette section de ligne. Le module d'amplification de cette boucle consiste ici en un transistor à effet de champ 95 dont la grille est raccordée à la ligne d'entrée 91 par une liaison 96, dont le drain est raccordé à la ligne de sortie 93 par une liaison 97 et dont la source est raccordée à la masse par une liaison 98. Sont également schématisés les raccordements 99, 100 aux alimentations de grille et de drain. La ligne d'entrée 91 a une géométrie qui permet d'adapter l'impédance de ligne à l'impédance d'entrée du transistor 95.La ligne de sortie 93 est, dans ce cas, repliée partiellement pour l'allonger de manière à ce que le déphasage résultant de la boucle secondaire et de la section de ligne couplée aux points 1 et 2 soit un multiple de la longueur d'onde d'accord. Un résonateur X/2 couplé en bout par effet capacitif similaire à celui de la figure 3 mais accordable en gain et en fréquence sera maintenant exposé en se référant à la figure 10 qui représente un schéma électrique. Il comprend une section de ligne 102 couplée à la ligne de transmission par une capacité d'entrée 101 et une capacité de sortie 103. Une varicap 104 est connectée à la section de ligne 102 ; son alimentation est également raccordée à cette section de ligne par la liaison 105. La boucle secondaire comprend une capacité 106 qui couple la ligne d'entrée 107 à la section de ligne 102. La grille du transistor 108 est alimentée par une liaison 109 raccordée à la ligne d'entrée 107. La source du transistor est raccordée à la masse et son drain est alimenté par la liaison 110.Le transistor 108 est suivi d'un atténuateur qui est représenté par une diode PIN 112 isolée par deux capacités de découplage 111 et alimentée par la liaison 113. La ligne de sortie 114 qui relève le transistor 108 à la section de ligne 102 est également raccordée à une varicap 115 alimentée par la liaison 116. La capacité 117 couple la ligne de sortie 114 à la section de ligne 102. Par action sur les tensions d'alimentation des varicaps 104, 115 il est possible de modifier la fréquence d'accord du résonnateur. Par action sur la tension d'alimentation de la diode PIN 112, il est possible de modifier le gain de la boucle secondaire. Ceci peut également se faire en agissant sur les alimentations du transistor. On peut aussi modifier la surtension du résonateur en faisant varier les pertes du milieu de propagation. La variation de la fréquence d'accord du résonateur peut également s'obtenir par action sur le milieu de propagation: - modification des pertes du milieu de propagation, - modification de la perméabilité magnétique de ce milieu, en utilisant un substrat en ferrite par exemple. - modification de la constante diélectrique de ce milieu. Les résonateurs actifs qui ont été décrits seront avantageusement employés pour la réalisation de filtres actifs, un filtre résultant de l'association de plusieurs résonateurs. Un filtre passe-bande, représenté dans la figure 11, se compose de trois résonateurs 111, 112, 113 juxtaposés (du type de ceux qui ont été décrits) couplés par effet capacitif à ligne 115. Un filtre stop-bande, représenté dans la figure 12 est réalisé par une succession de trois résonateurs stop-bande 126, 127, 128 dont un exemple est représenté dans la figure 8. Les résonateurs sont couplés à la ligne de transmission 129 à des intervalles de /4. Un premier type de filtre directif à couplage en bout est représenté dans la figure 13. Il comprend une première ligne de transmission 130 délimitée par ses extrémités 131, 132 et une deuxième ligne 135 délimitée par ses extrémités 133, 134. Il comprend également deux résonateurs actifs > /2 tels que celui représenté dans la figure 3 décrit plus haut, constitués d'une section de ligne /2 136, 137 et d'une boucle secondaire 138, 139. Les sections de ligne 136, 137 sont couplées par effet capacitif à la ligne 130 , les deux points de couplage étant distants de > /4. Elles sont également couplées à la ligne 135 de la même manière, ces deux derniers points de couplage étant distants de 3 > /4. De même que pour un filtre passif du même type, une onde incidente en 131 est transmisse en 134 si sa longueur d'onde vaut X , et transmise en 132 si sa longueur d'onde est différente. Un deuxième type de filtre directif dont le fonctionnement est identique au précédent est représenté dans la figure 14. Il comprend une première ligne de transmission 140 délimitée par ses extrémités 141, 142 et une deuxième ligne 145 démimitée par ses extrémités 143, 144. Il comprend également deux résonateurs, le premier étant constitué d'une section de ligne > /2 146 et d'une boucle secondaire 148, le second étant constitué d'une section de ligne 2 147 et d'une boucle secondaire 149. Ces deux sections de ligne 146, 148 sont couplées aux deux lignes 140, 145 en des points distants de 8 /4. Dans l'ensemble des exemples précédents. le couplage capacitif de la boucle secondaire 3 à la section de ligne 4, 43, 44, 45, 46, 48 est réalisé par gaps. Dans une variante de réalisation représentée dans la figure 15 ce couplage est réalisé au moyen de coupleurs > /4. La boucle secondaire 3 est prolongée par deux bras 7 de longueur # /4. Ces bras sont reliés à la masse par l'intermédiaire d'une résistance 8 de valeur égale à l'impédance caractéristique. La section de ligne 9 a, dans ce cas, une longueur qui est la somme des longueurs des deux bras 7 et de la longueur d'un segment de ligne compris entre ces coupleurs. Ce segment de ligne a une longueur qui est un multiple de # /2. Ainsi le terme couplage capacitif ne doit pas s'entendre de manière restrictive. Il pourra correspondre, notamment, à un couplage par gaps, un couplage par condensateurs rapportés, ou à un couplage par coupleurs # /4. Revendications 1/ Résonateur hyperfréquence actif, comprenant un section de ligne (4, 43, 44, 45, 46, 48) dont la longueur est multiple d'une demi-longueur d'onde, caractérisé en ce qu'il comprend une boucle secondaire (3) pourvue d'un module d'amplification (6) couplée par couplages capacitifs aux extrémités (1,2) de ladite section de ligne, le retard de phase résultant de ladite section de ligne, de ladite boucle secondaire et desdits couplages capacitifs correspondant à un multiple de ladite longueur d'onde. 2/ Résonateur hyperfréquence actif selon la revendication précédente caractérisé en ce qu'il comprend au moins un condensateur ou une diode à capacité variable (104, 115) qui fait varier ladite longueur d'onde. 3/ Résonateur hyperfréquence actif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu'il comprend des moyens pour faire varier ladite longueur d'onde en modifiant la constante diélectrique du milieu de propagation. 4 / Résonateur hyperfréquence actif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour faire varier ladite longueur d'onde en modifiant la perméabilité magnétique du milieu de propagation. 5 / Résonateur hyperfréquence actif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en qu'il comprend des moyens pour faire varier la surtension par modification des pertes du milieu de propagation. 6/ Résonateur hyperfréquence actif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend un atténuateur (112) pour faire varier la surtension. 7/ Résonateur hyperfréquence actif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite section de ligne est couplée à ses deux extrémités à la ligne de transmission (53, 54, 55, 56, 57) par effet capacitif. 8 / Résonateur hyperfréquence actif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que ladite section de ligne (48) est couplée à une de ses extrémités à la ligne de transmission (58) par effet capacitif et est prolongée à son autre extrémité par une portion de ligne contiguë dont la longueur est la somme d'un quart de ladite longueur d'onde et d'un nombre entier de fois de ladite demi-longueur d'onde, ladite portion de ligne se terminant par un court-circuit. 9 / Filtre actif passe-bande caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux résonateurs hyperfréquence actifs selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, le premier desdits résonateurs (121) étant couplé à une de ses extrémités à ladite ligne de transmission (125) par effet capacitif et à son autre extrémité audit résonateur suivant (122), le dernier desdits résonateurs (123) étant couplé à une de ses extrémités au résonateur qui le précède (122) et à son autre extrémité à ladite ligne de transmission par effet capacitif, les éventuels résonateurs supplémentaires (122) étant couplés d'une part au résonateur précédent, d'autre part au résonateur suivant. 10 / Filtre actif stop-bande caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux résonateurs hyperfréquence actifs selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits résonateurs (126, 127, 128) sont couplés par effet capacitif à la dite ligne de transmission (129) à des intervalles équivalents à un quart de ladite longueur d'onde. 11 / Filtre actif directif caractérisé en ce qu'il comprend deux résonateurs hyperfréquence actifs selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, lesdits deux résonateurs étant couplés à une de leurs extrémités à une première ligne de transmission (130) et à leurs autres extrémités à une deuxième ligne de transmission (135).