Brevet FR2665577A1 — publié le 19920207

Filtre hyperfréquence de puissance, notamment filtre de sortie pour émetteur de radiocommunications La présente invention concerne un filtre hyperfréquence de puissance, notamment un filtre accordé de sortie d'émetteur de radiocommunications. La principale difficulté rencontrée lors de la conception de ces filtres de forte puissance (à partir de 1 kW de puissance continue transmise) est le risque de claquage , c'est-à-dire d'apparition d'un arc électrique dans l'air ambiant ionisé, arc qui apparaît lorsque le champ électrique au point critique atteint la limite physique de 29 kV/cm. lly a alors transfert d'énergie de l'onde hyperfréquence à l'arc électrique et transformation en chaleur de l'énergie qui aurait due être transmise par le filtre ; on comprendra aisément que ce phénomène doit être à tout prix évité. On sait ainsi réaliser des filtres en bande X pour lesquelles le claquage est atteint entre 1,5 et 2 kW au centre de la bande pour un filtre seul, et entre 0,75 à 1 kW en bord de bande. Pour permettre le filtrage de puissances transmises de l'ordre du kilowatt et plus, il est nécessaire de mettre en parallèle plusieurs de ces filtres, selon le schéma illustré figure 1, qui est le plus couramment utilisé car il permet en outre le multiplexage de plusieurs canaux. Sur la figure 1, la référence 1 désigne l'un des émetteurs de la station de radiocommunications (l'émetteur du canal n" x), qui alimente l'un des accès d'un coupleur 3 dB 900 référencé 2 dont l'autre accès est relié à une charge de découplage 3. Les deux autres accès de ce coupleur 2 sont reliés respectivement à l'une des extrémités de deux filtres identiques 4 du type filtre à cavité, dont les extrémités opposées sont reliées à deux accès d'un coupleur 3 du 90", référencé 5, semblable au coupleur 2. Ce coupleur reçoit sur un troisième accès 6 les signaux provenant d'un ou plusieurs émetteurs semblables à l'émetteur 1, et émettant dans les canaux y, z, ..., le montage amont étant sem blable à celui illustré sur la figure 1. La sortie 7 délivre alors une sortie multiplexée entre le canal x et les canaux y, z, ..., (canaux en rebondissement ), en direction de l'antenne d'émission ou d'un autre étage semblable à celui de la figure I et disposé en aval pour permettre le multiplexage de canaux supplémentaires. On voit ainsi que le canal de l'émetteur 1 est filtré par les deux filtres 4 en parallèle, par lesquels transite donc, pour chacun, la moitié de la puissance délivrée par cet émetteur. Ce montage permet ainsi, par dédoublement du filtre, d'augmenter virtuellement la puissance traversante à filtrer. Pour réaliser ces filtres accordés de forte puissance, on choisit généralement de faire appel à un filtre à une ou plusieurs cavités cylindriques surdimensionnées, dont la structure est schématisée figure 2, réalisées avec un soin particulier pour introduire un minimum de pertes de transmission (cavité réalisée en métal à faible coefficient de dilatation thermique pour présenter une faible dérive, revêtement d'argent et dorure, etc.). Ces filtres à cavité, tout particulièrement ceux du type dit à cavité cylindrique bimode , présentent à la fois de très faibles pertes d'insertion et une surtension très élevée. À cet effet, la cavité est excitée en mode TE de type TEîîn ou Tenu1, avec couplage aux extrémités par des iris inductifs, et elle est accordée par une susceptance capacitive localisée réalisée généralement sous forme d'un plongeur à vis dont l'enfoncement contrôlé permet d'ajuster la fréquence de la cavité (une susceptance étant un élément qui, en circuit équivalent, aurait une représentation comme élément inductif ou capacitif). Les figures 3 et 4 illustrent, en plan et en élévation, la répartition et l'amplitude des lignes de champ dans le cas d'une cavité excitée en mode TE113 ; la figure 3 est homologue de la figure 2, et la figure 4, qui est une vue en élévation de la cavité, montre la variation périodique du champ électrique selon l'axe de la cavité cylindrique. Cette distribution du champ électrique présente ainsi une double variation, à la fois radialement (selon O et axialement (selon Oz). Dans le cas d'une cavité bimode, on forme à l'intérieur de la cavité 8 deux distributions, orthogonales entre elles, des lignes du champ électrique, comme illustré par les lignes repérées 9 et 10 sur la figure 2 (qui correspond donc au cas d'une cavité excitée selon le mode TE113). A cet effet, on prévoit deux plongeurs 11, 12 disposés à 90 , et permettant d'accorder séparément l'un et l'autre des deux modes. En outre, un plongeur 13, situé à 135 des plongeurs 11 et 12, permet d'ajuster le couplage entre les deux modes. Jusqu a présent, les plongeurs utilisés pour l'ajustement des cavités cylindriques étaient choisis avec un diamètre le plus faible possible. En effet, chaque plongeur de réglage de l'un des modes constitue une susceptance localisée qui risque de perturber l'autre mode. Par exemple le plongeur 11, qui sert à produire et ajuster le champ illustré par les lignes de champ 10, est un élément perturbateur pour le champ illustré par les lignes de champ 9 ; de même, le plongeur 12, qui sert à produire et ajuster le champ illustré par les lignes de champ 9, est un élément perturbateur pour le champ illustré par les lignes de champ 10. Un faible diamètre de plongeur permettra d'obtenir une susceptance très localisée, propre à réduire les perturbations de cette nature. Par ailleurs, on constate que les naissances ou perturbations des modes parasites sont d'autant plus faibles que les susceptances sont localisées, donc que les plongeurs sont de faible diamètre. C'est pour que ces deux types de perturbations soient minimales que l'on préférait donc, jusqu'à présent, donner un faible diamètre à ces plongeurs. La présente invention propose une conception de filtre de puissance allant à l'encontre de ces règles de conception jusqu'à présent suivies, à savoir la nécessité d'un plongeur de faible diamètre correspondant à une susceptance localisée la plus faible possible de manière à réduire au minimum les perturbations des modes parasites. À l'opposé, la présente invention propose d'utiliser un plongeur de fort diamètre qui, de façon surprenante et comme on l'expliquera plus loin, ne modifie que très peu la distribution des lignes de champ électrique internes à la cavité, mais en revanche, permet une grande augmentation potentielle de la tenue en puissance. En ce qui concerne les modes indésirables, on constate par ailleurs que, avec un tel plongeur, la remontée des modes parasites a lieu essentiellement hors de la bande utile du filtre, ce qui les rend sans effet sur les caractéristiques radioélectriques de ce dernier. On verra enfin que le filtre de l'invention permet d'employer les modes les plus faibles (TE111 à TEll3) qui permettent de bénéficier, tout particulièrement pour le mode TE113, à la fois d'un très bon éloignement relatif des modes parasites (caractéristique d'autant plus avantageuses que l'on doit accepter, comme on vient de l'indiquer une remontée de ces modes parasites hors bande), d'une grande surtension ainsi que d'une symétrie mécanique de la cavité. À cet effet, plus précisément, le filtre étant du type comportant au moins une cavité résonnante cylindrique accordée en mode TEl1n ou Tenir, de préférence en mode TE113, dans laquelle on introduit au moins une perturbation du champ électromagnétique par enfoncement contrôlé d'un plongeur cylindrique traversant la paroi de la cavité de manière à réaliser l'accord du mode voulu, le filtre selon l'invention est caractérisé en ce que le rapport dlD entre le diamètre d de la partie active du plongeur pénétrant dans la cavité et le diamètre D en section droite de la cavité est au moins égal à 0,1. De préférence, la face antérieure du plongeur est essentiellement plane, et elle se raccorde à la face latérale cylindrique du plongeur par un arrondi de liaison; quant à la face postérieure du plongeur émergeant de la paroi de la cavité, elle peut être avantageusement pourvue d'ailettes de refroidissement. De préférence, la cavité est une cavité bimode, c'est-àdire qu'elle comporte deux plongeurs d'accord disposés à 90" sur une même section droite de la paroi cylindrique de la cavité, un troisième plongeur pouvant être disposé sur une même section droite de la paroi cylindrique de la cavité à 1350 des deux autres, pour l'ajustement du couplage entre les deux modes. Le filtre peut en outre comporter deux cavités semblables couplées en série par un iris inductif, de manière à constituer un filtre à quatre pôles à cavités bimodes. # On va maintenant décrire plus en détail la présente invention, en référence aux dessins annexés. La figure 1, précitée, montre le schéma d'un multiplexeur à filtres en parallèle selon la technique antérieure. Les figures 2 à 4, précitées, expliquent schématiquement l'excitation d'une cavité cylindrique selon deux modes orthogonaux (TE113) par les techniques de l'art antérieur. La figure 5 est une vue en élévation, partiellement en coupe, d'une cavité utilisée pour réaliser le filtre de l'invention. La figure 6 est une vue complète en élévation d'un filtre selon l'invention, ce filtre étant du type à quatre pôles et cavités bimodes, réalisé à partir de deux cavités telles que celle illustrée figure 5. La figure 7 est une vue de face, en coupe selon VII-VII, du filtre de la figure 6. # Sur les figures 6 et 7, on a représenté, respectivement en élévation et de face, un filtre réalisé selon les enseignements de l'invention, qui est un filtre à quatre pôles associant deux cavités bimodes, réalisé en mettant en série deux éléments cylindriques 14a, 14b tels que celui illustré en 14 figure 5. Cette configuration n'est cependant pas limitative, et l'invention s'applique aussi bien à un filtre constitué d'une seule cavité, ou associant en série des cavités en nombre supérieur à deux, ou encore à des cavités monomodes. Comme on peut le voir sur la figure 5, la cavité résonnante est constituée d'un corps cylindrique 14 muni à ses deux extrémités de brides de fixation 15. Les cavités sont couplées entre elles et aux guides amont et aval par l'intermédiaire d'iris inductifs (dont l'un est visible en 17 sur la figure 7), de manière en elle-même connue. En outre, il est prévu, compte tenu de la forte puissance transmise, des éléments de refroidissement en forme de radiateurs 18 fixés aux brides 15 de chacune des cavités. Des orifices 16 sont prévus pour la mise en place de plongeurs de réglage 19 (19a, 19b et 19c), pour permettre l'accord des deux modes et leur couplage mutuel, comme expliqué schématiquement plus haut en référence à la figure 2. Ces plongeurs, une fois leur enfoncement ajusté, sont bloqués en place par des écrous 20 ou par tout autre mode de blocage approprié. En ce qui concerne la position des différents plongeurs 19a, 19b, 19c, celle-ci est conforme au schéma de la figure 2, c'est-àdire que les plongeurs de réglage de mode 19a et 19b sont disposés orthogonalement l'un par rapport à l'autre, et le plongeur de réglage du couplage mutuel entre modes 19c est disposé sur la bissectrice, interne ou externe, des axes des deux autres plongeurs, c'est-à-dire en formant un angle de 45" ou de 135 par rapport à chacun de ces deux plongeurs 19a et 19b. De préférence, on choisit de placer le plongeur 19c sur la bissectrice externe, c'est-à-dire qu'il forme un angle de 135 avec chacun des deux autres plongeurs, car sinon il serait trop proche des deux autres, ce qui créerait des difficultés tant mécaniques que radioélectriques compte tenu notamment des diamètres importants et de la puissance à véhiculer. Les figures 8 et 9 représentent isolément, dans deux variantes possibles, chacun des trois plongeurs 19 d'accord de la cavité. Le plongeur comporte une partie active 20 qui est celle pénétrant dans la cavité et constituant la susceptance capacitive localisée, une partie centrale 21 présentant un filetage est destinée à venir s'insérer dans les orifices taraudés 16 de la cavité (figure 5), et une partie postérieure 22 permettant le vissage. Dans la variante de la figure 9, on a disposé en partie postérieure 22 du plongeur, des ailettes de refroidissement 26 servant d'échangeur thermique pour refroidir la cavité par convection naturelle, en sus des radiateurs 18 placés à ses deux extrémités. La partie antérieure ou partie active 20 comporte de préférence une face avant 23 plane, raccordée à la surface cylindrique 24 par un arrondi de liaison 25. De façon caractéristique de l'invention, on donne à cette partie active 20 un diamètre d très supérieur aux valeurs qu'il avait habituellement dans la technique antérieure, c'est à dire que le rapport dlD entre ce diamètre d et le diamètre D de la cavité sera, typiquement, supérieur à 0,1. On peut montrer que, malgré le diamètre important de la partie active 20, la distribution des lignes du champ électrique n'est que peu perturbée. En effet, les composantes radiale, angulaire et axiale du champ électrique sont données, respectivement, par des relations de la forme: Er = -1/pS1(p) sin#. sin(30z), E,p = - . 5'1(P) sin#.sin(30z),et Ez = 0, 91(p) étant la fonction de Bessel du premier ordre et S'1(p) étant la fonction de Bessel du second ordre, et les coordonnées circulaires f et 30z correspondant aux représentations des figures 3 et 4, avec les conventions portées sur ces figures. On voit ainsi que le champ maximum est proportionnel à la distribution sinusoïdale des angles et 8 Le synchronisme des cavités est obtenu par accord sur le maximum de champ électrique; en revanche, pour atteindre un champ de claquage élevé, il est indispensable de supprimer les effets de pointe, donc d'exploiter la répartition spatiale en sin En fonction de ces données, on peut par exemple choisir pour une cavité de diamètre D = 40,34 mm, un plongeur de diamètre d = 9 mm, dont la mise en place et le réglage seront effectués par un filetage de 11 mmaupas de 0,75 mm. Avec ces dimensions, on voit que le champ se répartira, jusqu'à la périphérie du plongeur, sur une étendue a (figure 7) correspondant à un angle de 77" environ. Or à un angle de 77" correspond un sinus de 0,9744, impliquant ainsi une décroissance du champ maximal de 2,56 % seulement. On voit ainsi que le champ maximal n'est pratiquement pas affecté par la présence du plongeur, malgré les dimensions importantes de celui-ci - typiquement trois fois supérieures, les plongeurs employés pour de telles cavités étant dans l'art antérieur des plongeurs de 3 mm de diamètre. En ce qui concerne la tenue en puissance d'un filtre ainsi réalisé selon les enseignements de l'invention, l'effet de pointe étant proportionnel à la concentration des lignes de champ électrique sur la surface en regard, la tenue en puissance sera donc sensiblement proportionnelle à la surface active du plongeur, c'est-à-dire à la surface d'accord en regard du champ électrique. On a déterminé par expérience que, dans les cavités de l'art antérieur, il y a claquage entre 1,5 et 2 kW pour des plongeurs de 3 mm de diamètre. Dans le cas de l'invention, pour un plongeur de 9 mm de diamètre comme dans l'exemple indiqué plus haut - donc de diamètre triple et de surface neuf fois supérieure - la puissance minimum de claquage est environ neuf fois plus élevée, soit une valeur de 13,5 kW pour le filtre selon l'invention, au lieu de 1,5 kW pour un filtre semblable selon l'art antérieur. Cette propriété a été vérifiée par des essais en puissance; ceci démontre que, si l'on accepte une remontée des modes parasites hors bande, la puissance traversante d'un filtre selon l'invention pourra être de cinq à huit fois supérieure à celle d'un filtre semblable de l'art antérieur, et ce, sans avoir recours à un autre mode d'excitation (par exemple un mode TE114) qui serait encore plus pénalisant pour les modes parasites. Les autres caractéristiques d'un tel filtre à quatre pôles ainsi réalisé selon l'invention sont les suivantes: - ondulation résiduelle : 0,01 dB; bande équiondulation : 60 MHz (pour un filtre en bandeX); - ROS dans une plage de +25 MHz : inférieur à1,1 ; pertes d'insertion: 0,25 dB environ; - facteur de surtension : supérieur à 12000 (pour une valeur théorique de 24800 environ). REVENDICATIONS 1. Un filtre hyperfréquence de puissance (4), notamment un filtre de sortie pour émetteur de radiocommunications, ce filtre étant du type comportant au moins une cavité résonnante cylindrique (14) accordée en mode TE11, ou TEn11 dans laquelle on introduit au moins une perturbation du champ électromagnétique par enfoncement contrôlé d'un plongeur cylindrique (19) traversant la paroi de la cavité de manière à réaliser l'accord du mode voulu, filtre caractérisé en ce que le rapport d/D entre le diamètre d de la partie active (20) du plongeur pénétrant dans la cavité et le diamètre D en section droite de la cavité (14) est au moins égal à 0,1. 2. Le filtre hyperfréquence de la revendication 1, caractérisé en ce que la cavité est accordée en mode TE113. 3. Le filtre hyperfréquence de la revendication 1, caractérisé en ce que la face antérieure (23) du plongeur est essentiellement plane. 4. Le filtre hyperfréquence de la revendication 3, caractérisé en ce que la face antérieure plane (23) du plongeur se raccorde à la face latérale cylindrique (24) du plongeur par un arrondi de liaison (25). 5. Le filtre hyperfréquence de la revendication 1, caractérisé en ce que la face postérieure (22) du plongeur émergeant de la paroi de la cavité est pourvue d'ailettes de refroidissement (26). 6. Le filtre hyperfréquence de la revendication 1, caractérisé en ce que la cavité comporte deux plongeurs d'accord (19a, 19b) disposés à 90" sur une même section droite de la paroi cylindrique de la cavité, de manière à constituer un filtre à cavité bimode. 7. Le filtre hyperfréquence de la revendication 6, caractérisé en ce que la cavité comporte un troisième plongeur (19c), disposé sur une même section droite de la paroi cylindrique de la cavité à 135 des deux autres (19a, 19b), pour l'ajustement du couplage entre les deux modes. 8. Le filtre hyperfréquence de la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce qu'il comporte deux cavités semblables (14a, 14b), couplées en série par un iris inductif (17), de manière à constituer un filtre à quatre pôles à cavités bimodes.