Brevet FR2653615A1 — publié le 19910426

La présente invention a pour objet une cellu- Le de filtrage et un fiLtre correspondant. Elle trouve de multiples applications en électronique et notamment dans la réalisation de filtres réjecteurs ou de fil- tres passe-bas. Cette technique de filtrage peut s'ap- pliquer en particulier dans les réseaux câblés de videocommunications lorsqu'il s'agit de filtrer cer- tains canaux de télévision. L'invention s'applique à tous les filtres comprenant des cellules composées d'au moins un élément inductif (enroulement, bobine ou équivalent) et, éventuellement d'au moins un condensateur. L'homme du métier sait qu'il s'agit là de cellules disposées en série, ou en parallèle, ayant des structures en I, en T, en treillis, etc... Cependant, pour simplifier la description qui va suivre, on s'en tiendra aux cellules de type résonnant-parallèle, montées en série sans qu'il s'agisse d'une limitation de la portée de l'invention. Par ailleurs, on emploiera le terme d'inductance pour désigner l'élément inductif. Une cellule de filtrage de type résonnant-pa- rallèle selon l'art antérieur est représentée sur la figure 1 annexée. Cette cellule comprend un conden- sateur C et une inductance L formant un circuit réson- nant à la fréquence Fo=1/27rLC. Une entrée E est reliée à un générateur G d'impédance de sortie RG et une sortie S à une charge R. Les tensions à l'entrée E et à la sortie S sont notées respectivement Ve et Vs. La réponse théorique d'un tel filtre est représentée sur la figure 2. Sur l'axe des ordonnées est portée l'atténuation A, c'est-à-dire le rapport Vs/Ve, compté en décibels (ce rapport est négatif). L'axe des abscisses correspond à la fréquence F. A la fréquence Fo, l'atténuation est en principe infini- ment grande. En réalité, les composants utilisés pour constituer une telle cellule ne sont pas parfaits et l'inductance, en particulier, possède une résistance qui est loin d'être négligeable. L'amortissement qui en résulte a pour effet de modifier sensiblement la courbe d'atténuation, qui prend alors l'allure représentée sur la figure 3. Il existe toujours une fréquence o l'atténuation est maximale (en valeur absolue), mais cette attenuation a une valeur finie (par exemple 20 ou 30 dB). Elle peut se révéler insuffisante dans La pratique lorsqu'il s'agit d'obtenir une réjection efficace ou d'obtenir une coupure nette. La présente invention a justement pour but de remédier à cet inconvénient. Elle permet de corriger simplement les filtres existants afin d'obtenir à la fois une atténuation plus grande à la fréquence de résonance et une meilleure adaptation vers les basses fréquences. En d'autres termes, la pente de la droite joignant le point de la courbe d'affaiblis- sement à la fréquence Fo et le point de cette même courbe à une fréquence plus basse déterminée, est considérablement augmentée par rapport à l'art anté- rieur. Après des travaux théoriques et expérimentaux sur Les filtres, les inventeurs ont trouvé que Le défaut de qualité de l'inductance n'était pas un handi- cap insurmontable mais pouvait être corrigé si l'on associait à celle-ci un condensateur de valeur appropriée. Les inventeurs ont trouvé que la valeur optimale de la capacité de correction était égale à L/R2 o L désigne la valeur de l'inductance et R La valeur de la charge d'utilisation. De plus, le facteur de qualité de ce condensateur doit être sensiblement égal à celui de l'inductance. On rappelle que le facteur de qualité d'un condensateur de valeur C possédant une résistance parallèle R est égal à RCw o w est la pulsation et que le facteur de qualité d'une inductance de valeur L en série avec une résistance R est égal à Lw/R. L'inductance ayant été ainsi corrigée, les inventeurs ont montré que l'atténuation à la fréquence de résonance était considérablement augmentée. IL faut observer que la fréquence correspon- dant au maximum d'atténuation se trouve légèrement déplacée par l'ajout du condensateur de correction. Si besoin est, on peut toujours corriger cet effet en modifiant la valeur du condensateur principal C O20 pour ramener la fréquence à la valeur avant correction. En pratique, il suffit d'augmenter la valeur de ce condensateur d'une fraction de la capacité de correc- tion. Le perfectionnement apporté par l'invention s'accompagne d'un autre avantage, qui est de parfaire l'adaptation d'impédance de la cellule de filtrage. La partie de l'énergie réfléchie par la cellule tombe en effet, après correction, à une valeur très faible (-20 dB par exemple) pour les fréquences inférieures à la fréquence de résonance. En d'autres termes, le coefficient de réflexion est quasiment nul et le taux d'onde stationnaire proche de l'unité. On observera que ces hautes performances sont obtenues en dépit de la qualité médiocre de l'inductance. La cellule de filtrage de l'invention s'accommode donc de composants peu chers. Par ailleurs, et comme on le comprendra mieux par la suite, l'invention se prête particulière- ment bien à la technologie à micro-ruban o les induc- tances peuvent présenter un coefficient de qualité médiocre sur certains substrats ce qui dégrade les performances des filtres. De façon précise, l'invention a donc pour objet une cellule de filtrage comprenant au moins une inductance, cette celluLe étant caractérisée, dans une variante à composants discrets, par le fait que l'inductance est divisée en deux parties avec un point milieu et qu'elle comprend en outre un condensateur de correction connecté audit point milieu de l'inductance, ce condensateur de correction ayant une capacité sensiblement égale à L/R2 o L est la valeur de l'inductance et R la valeur de l'impédance de charge de la cellule, et un coefficient de qualité sensiblement égal au coefficient de qualité de l'inductance. Bien que le type de cellule employé puisse être quelconque, le type résonnant-parallèle, monté en série semble se prêter particulièrement bien à la mise en oeuvre de l'invention. Selon l'invention, le condensateur de cor- rection peut être non plus localisé mais réparti. Dans cette variante, il n'est plus relié au point milieu de l'inductance mais agit sur tout ou partie de l'inductance. La présente invention a également pour objet un filtre comprenant une pluralité de cellules de filtrage, ce filtre étant caractérisé par le fait qu'au moins l'une de ces cellules est conforme à l'une quelconque des cellules qui viennent d'être définies. De toute façon, Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la Lumiè- re de La description qui va suivre. Cette description porte sur des exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif et elle se réfère à des dessins annexés sur lesquels: - la figure 1, déjà décrite, montre une cellule de filtre réjecteur selon l'art antérieur, - la figure 2, déjà décrite, montre l'atténuation théorique du filtre selon l'art antérieur, - la figure 3, déjà décrite, montre l'atténuation réellement obtenue avec un filtre de l'art antérieur de la figure 1, - la figure 4 montre un filtre selon l'inven- tion dans une variante à cellule de type résonnant-parallèle, montée en série, - la figure 5 montre l'atténuation obtenue avec un filtre de la figure 4, - la figure 6 montre un cas pratique de réalisation d'un filtre réjecteur selon l'art antérieur, - la figure 7 montre un cas pratique de réalisation d'un filtre réjecteur selon l'invention, - Les figures 8 et 9 montrent la réjection du filtre de la figure 6, - les figures 10 et 11 montrent la réjection du filtre de la figure 7, - la figure 12 illustre une cellule en r, corrigée seLon L'invention, - La figure 13 montre l'atténuation obtenue avec le fiLtre précédent, - la figure 14 montre un filtre réjecteur comprenant trois ceLLules selon l'inven- tion, - La figure 15 iLLustre un mode de réaLisa- tion d'une celLule à micro-ruban, - la figure 16 montre un filtre repLié à quatre celluLes à micro-ruban. On voit sur la figure 4 une cellule de filtrage selon l'invention, dans le cas particulier d'un circuit résonnant-parallèle, monté en série. Cette cellule comprend, comme pour la figure 1 déjà décrite, un condensateur C et une inductance de valeur L, cette dernière étant toutefois partagée en deux inductances de valeur L/2 avec un point milieu M. Par ailleurs, un condensateur de correction Cc est connecté entre le point milieu M de l'inductance et la terre. Ce condensateur possède, soit intrinsèquement soit par le jeu d'une résistance volontairement connectée en parallèLe, une résistance Rc. La valeur de la capacité Cc est prise égale à L/R2 o L est la somme des deux moitiés de l'inductance (L/2+L/2) et R la valeur de la charge. Quant au coefficient de qualité RcCcw, il est égal à celui de l'inductance soit Lw/r o r est la résistance de l'inductance. La résistance Rc est donc prise égale à L/rCc. L'atténuation obtenue dans ces conditions est représentée sur la figure 5. A la fréquence Fo, l'atténuation est sensiblement plus grande que dans l'art antérieur (cf Figure 3). IL apparaît en outre après la fréquence Fo un second pôle ou point de réjec- tion. En général, ces modifications n'ont aucune impor- tance s'il s'agit de couper la fréquence Fo ou d'obte- nir un filtre passe-bas. Les courbes des figures 6 à 11 permettent de mieux apprécier les améliorations apportées par l'invention. La figure 6 correspond tout d'abord à un filtre de l'art antérieur, avec une inductance de 2 p11H et un condensateur de 1 nF. La figure 8 montre les performances de ce filtre. L'axe des abscisses porte la fréquence qui va de 2 MHz à 5,2 MHz. La fréquence centrale est égale à 3,6 MHz. L'axe des ordonnées porte l'atténuation avec une échelle de 5 dB par division. La courbe A correspond à l'atténuation mesu- rée. Elle est au mieux égale à -18 dB pour Fo=3,6 MHz. La courbe B correspond à la désadaptation qui, en début de gamme, est de -9 dB. Le même filtre corrigé par un condensateur de valeur Cc=820-pF avec Rc=3302 (cf Fig. 7) présente des performances telles qu'illustrées sur la figure 10 avec les mêmes échelles: l'atténuation A' tombe à -40 dB et la désadaptation B' à -20 dB. Les courbes 9 et 11 permettent de comparer les filtres à composants discrets selon l'art antérieur (Fig. 6) et selon l'invention (Fig. 7). Dans les deux cas, l'axe des abscisses s'étend de 1 MHz à 18 MHz. L'axe des ordonnées porte l'atténuation à raison de dB par division. Un filtre de l'art antérieur présente une atténuation d'environ 18 dB (Fig. 9) alors que le même filtre corrigé selon l'invention, par ajout d'un condensateur, voit son atténuation tomber à -50 dB, ce qui représente une amélioration considérable compte tenu de la modestie de la modification apportée. L'invention n'est pas limitée aux cellules de type -résonnant-parallèle, montées en--série, mais s'étend à d'autres types comme les cellules en r dont un exemple est donné figure 12. Une telLe cellule comprend trois condensateurs C1, C2, C3, et selon l'invention, une inductance formée de deux demi-induc- tances L/2, avec un condensateur de correction Cc ayant une résistance parallèle Rc. La courbe d'atténuation correspondante est représentée sur la figure 13 en trait plein; la partie en tirets montre la courbe obtenue sans correction, selon l'art antérieur. L'invention n'est pas limitée non plus à une seule cellule de filtrage mais englobe tout filtre à plusieurs cellules dont L'une au moins est corrigée comme il vient d'être expliqué. La figure 14 montre ainsi un filtre à trois cellules de filtrage CF1, CF2, CF3, toutes trois conformes à l'invention, avec trois condensateurs de correction Ccl, Cc2, Cc3. Les fréquences de réfjection peuvent être toutes différentes. Les coefficients de qualité des condensateurs Ccl,..., doivent être de valeur identique à celle des coefficients de qualité des inductances associées. Bien que l'invention puisse être réalisée en composants discrets, il est plus commode, lorsque la plage de fréquence de travail atteint et dépasse le Gigahertz, de réaliser l'inductance du filtre sous forme de microruban conducteur. L'invention se prête particulièrement bien à cette technologie. En effet, dans ce cas et comme représenté sur la figure 15, une cellule de filtrage selon l'invention peut compren- dre deux micro-rubans 10 et 12 déposés sur un substrat isolant 14. Ces deux micro-rubans, qui peuvent être de forme géométrique quelconque, constituent deux demi-inductances, et comprennent en outre un micro-ru- ban 16. Ce micro-ruban 16 forme, avec un pLan de masse 18 déposé sur l'autre face du substrat, Le condensateur de correction. Un condensateur discret 19 complète L'ensemble. On voit donc que, dans cette technologie, le condensateur de correction 16 s'intègre tout naturellement entre les deux demi-inductances 10, 12. Il suffit de régler la largeur du microruban 16 pour obtenir la capacité appropriée Cc. Plusieurs cellules de ce genre peuvent être mises bout à bout sur un même substrat. On peut aussi replier le substrat comme représenté sur la figure 16. Un substrat 20 est constitue de deux plaquettes isolantes 21 et 22 séparées par un plan conducteur 23. Sur la face avant de la plaquette 21, on trouve deux cellules de filtrage similaires à celle de la figure 15, soit CF1 et CF2. Un trou métallisé 25 (isolé du plan 23) permet d'établir une connexion électrique avec la face arrière de la plaquette 22, laquelle comprend deux cellules analogues à CF1 et CF2 (non visibles sur la figure). L'entrée et la sortie du filtre s'effectuent respectivement par les connecteurs et 32. REVENDICATIONS 1. Cellule de filtrage comprenant au moins une inductance (L), caractérisée par Le fait que L'inductance est divisée en deux parties en série (L/2, L/2) avec un point milieu (M) et qu'elle comprend en outre un condensateur de correction connecté audit point miLieu (M) de l'inductance, ce condensateur de correction ayant une capacité (Cc) sensiblement égale à L/R2 o L est la valeur de l'inductance et R la valeur de l'impédance de charge de la cellule, et un coefficient de qualité sensiblement égal au coefficient de qualité de l'inductance. 2. Cellule de filtrage selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'elle comprend une seule inductance et un seul condensateur en parallèLe, l'en- semble constituant une cellule de type résonnant-paral- LèLe, montée en série. 3. Cellule de filtrage selon la revendication 1, caractérisée par le fait que l'inductance est constituée par deux micro-rubans conducteurs (10, 12) déposés sur une face d'un substrat isolant (14) et que le condensateur de correction est constitué par un micro-ruban conducteur (16) déposé sur ledit substrat (14) entre les deux micro-rubans (10, 12) constituant l'inductance, un plan conducteur (18) étant déposé sur l'autre face du substrat (14). 4. Cellule de filtrage comprenant au moins une inductance, caractérisée par le fait qu'elle com- prend en outre un condensateur de correction réparti le long d'au moins une partie de l'inductance, ce condensateur de correction ayant une capacité (Cc) sensiblement égale à L/R2 o L est la valeur de l'inductance et R la valeur de l'impédance de charge de la cellule, et un coefficient de qualité sensiblement égal au coefficient de qualité de L' inductance. 5. Filtre comprenant une pLuralité de ceLLu- les de filtrage, caractérisé par le fait qu'au moins L'une de ces celLules est conforme à La celluLe seLon l'une queLconque des revendications 1 à 4.