Brevet FR2673780A1 — publié le 19920911

i La présente invention concerne un procédé d'accord d'un filtre ainsi qu'un filtre Dans ce procédé, la plage d'accord est divisée en zones élémentaires qui recouvrent ensemble toute la plage d'accord, et le filtre est accordé séparément dans chaque zone élémentaire Le filtre selon l'invention comprend lui-même un dispositif destiné à accorder le filtre dans plusieurs zones élémentaires qui recouvrent ensemble toute la plage d'accord Le procédé selon l'invention s'applique essentiellement à un filtre double comprenant un filtre d'émission et de réception destiné à séparer les signaux d'émetteur et de récepteur les uns des autres. Les installations de communications radioélectriques utilisent essentiellement deux modes différents de fonc- tionnement, c'est-à-dire le fonctionnement simple et le fonctionnement double ou en duplex Dans le fonctionnement simple, l'émission est réalisée entre des stations qui communiquent dans un seul sens à un moment donné, par utilisation d'une seule fréquence (fonctionnement simple à une seule fréquence) ou à deux fréquences (fonctionnement simple à deux fréquences) Une propriété caractéristique du fonctionnement simple est qu'une station ne peut pas simultanément émettre des données et écouter une ou plu- sieurs autres stations communiquant avec elle Au con- traire, l'émission et les réceptions sont simultanées à des fréquences différentes lors du fonctionnement double ou en duplex Ceci est possible car les fréquences utilisées sont sélectionnées afin qu'elles diffèrent suffisamment les unes des autres pour permettre la construction d'un filtre permettant la séparation des signaux aux différentes fréquences Dans une installation fixe en particulier (appelée "station de base"), des antennes séparées sont utilisées pour l'émission et la réception afin que la séparation soit meilleure Dans les véhicules et les téléphones portatifs, la séparation doit toujours être réalisée par un filtre double, par utilisation d'une seule antenne. De manière connue, le filtre double est un filtre séparateur comprenant deux parties, c'est-à-dire un filtre d 'émission et un filtre de réception qui sont combinés à une entrée d'antenne ou qui sont séparés lorsque des antennes différentes sont utilisées pour l'émission et la réception L'adaptation du filtre récepteur doit être aussi bonne que possible et l'atténuation dans la bande passante doit être aussi faible que possible aux fréquences de réception, des exemples de valeurs d'atténuation dans la bande passante étant de l'ordre de 3 à 5 d B Aux fréquences d'émission, l'atténuation du filtre récepteur doit être élevée, la valeur nominale étant supérieure à 65 d B afin que des réponses parasites provoquées par l'amplificateur et le mélangeur à hautes fréquences du récepteur soient évitées Le filtre récepteur est habituellement un filtre passe-bande Le filtre d'émission doit atténuer aussi peu que possible la puissance appliquée à l'antenne Une atténuation élevée non seulement provoque un échauffement du filtre mais aussi nécessite une plus grande puissance pour l'émetteur et provoque donc une plus grande consomma- tion d'énergie et l'utilisation d'une batterie plus impor- tante ou d'un plus court temps de fonctionnement En plus du signal voulu, l 'émetteur crée aussi du bruit aux f ré- quences de réception Si ce bruit atteint l'entrée d'antenne et ainsi le récepteur, il "masque" le signal reçu, c'est-à-dire que la sensibilité du récepteur est détériorée lorsque l'émetteur est mis en fonctionnement En conséquence, l'atténuation du filtre d'émission doit être comprise entre 40 et 70 d B aux fréquences de réception, suivant la qualité et la capacité de l'émetteur Une différence élevée d'atténuation obtenue à l'aide de résona- teurs de faible dimension provoque une variation d'atténua- tion pouvant atteindre 1,5 d B dans la bande passante Elle doit être compensée par ajustement de la puissance de sortie fournie par l'émetteur d'après la fréquence utilisée, si bien que l'émetteur est compliqué et le coût est accru. En pratique, la difficulté de réalisation du filtre double augmente avec son indice de faisabilité S qui correspond à la formule suivante: S = f O B/DQQ ( 1) f O étant la fréquence de fonctionnement, B étant la différence de fréquence entre les canaux extrêmes, c'est-à-dire la largeur de bande (ou plage d'accord), D étant la diffé- rence entre les fréquences d'émission et de réception, c'est-à-dire l'intervalle de duplex, et Q O étant le coeffi- cient Q des résonateurs. La fréquence de fonctionnement, la largeur de bande ou plage d'accord et l'intervalle de traitement de duplex sont des constantes du système dont la sélection dépend notamment: des fréquences disponibles, de la charge due au trafic, qui repose sur une estimation, surtout dans la réalisation des réseaux publics (il a été nécessaire d'ajouter des canaux à de nombreux réseaux destinés à l'utilisation publique, c'est-à- dire que la largeur de bande B est supérieure à celle qui a été prévue initialement), et des possibilités techniques considérées comme utilisables au moment de l'établissement. Les variations des modes de fonctionnement pendant la durée de service de l'installation et les conditions fixées par les utilisateurs sont habituellement impossibles à prévoir Les fabricants d'appareillages ont tendance à se concurrencer en fabriquant des produits de plus en plus faciles à utiliser Dans les réseaux publics, les proprié- tés suivantes ont été considérées comme particulièrement souhaitables: une faible dimension, un faible poids et un long temps de fonctionnement avant remplacement de la batterie dans un appareillage portatif, et un prix réduit. L'indice de faisabilité S précité du filtre double est notablement affecté par les pertes dans le résonateur, c'est-à-dire le coefficient Q du résonateur qui dépend du volume du résonateur pour tous les types de résonateurs. Cela signifie que la faisabilité diminue lorsqu'on recherche une plus petite dimension. En plus du coefficient Q des résonateurs, les propriétés du filtre sont aussi affectées par leur topolo- gie et leur nombre de pôles (nombre de résonateurs). L'atténuation dans la bande passante des filtres passe- bande est habituellement supérieure à celle des filtres passe-bas ou passe-haut La branche d'émission du filtre double utilise ainsi souvent une modification particulière des filtres précités, dite "filtre éliminateur de bande", qui donne un faible atténuation dans la bande passante, une atténuation élevée dans une bande d'arrêt comprise dans une étroite bande de fréquences, et une forte pente, mais uniquement au-dessus et au-dessous de la bande passante. Aux autres fréquences, l'atténuation reste faible et il est nécessaire d'utiliser des dispositions particulières. Comme l'indice de faisabilité S de la formule ( 1), les constantes de l'installation ne paraissent pas laisser une grande liberté au concepteur et au fabricant du filtre, à part le coefficient Q Comme décrit précédemment, le fabricant de l'appareillage souhaite cependant réduire la dimension du filtre double, si bien que le coefficient Q est réduit En pratique, cela signifie que les marges disponibles pour le concepteur et le fabricant sont réduites si bien que les coûts de fabrication sont accrus. Comme indiqué précédemment, le fabricant de l'appareillage peut cependant vouloir réduire le coût de l'appareillage. Lorsqu'on examine plus en détail l'indice de faisa- bilité S, il apparaît que seule la fréquence de fonctionne- ment f et l'intervalle D de fonctionnement en duplex sont des constantes absolues Ceci est dû au fait que la plage d'accord, c'est-à- dire la largeur de bande B, peut être réduite par division de la bande de travail en plusieurs zones élémentaires B à B de manière que les zones élémen- 1 n taires couvrent ensemble la bande B des fréquences qui doit être utilisée (B = Bl + B 2 + B 3 + Bn) De cette manière, l'indice de faisabilité est accru dans chaque zone élémen- taire L'indice de faisabilité S détermine aussi le nombre de résonateurs nécessaire pour la réalisation d'un filtre ayant des propriétés prédéterminées d'atténuation dans une bande passante et dans une bande d'arrêt, c'est-à-dire un "gradient" du filtre Le nombre de résonateurs contenus dans le filtre est un nombre entier, et le filtre peut ainsi être réalisé avec N ou N + 1 pôles dans les zones limites Cependant, l'atténuation dans la bande passante augmente exponentiellement avec l'augmentation du nombre de pôles (nombre de résonateurs), et cela signifie que, pour obtenir la même atténuation dans la bande passante, le coefficient Q doit être accru, c'est-à-dire que les résona- teurs doivent être plus grands, lorsque le nombre de pôles augmente Pour le plus petit nombre possible de pôles, c'est-à-dire le plus petit nombre possible de résonateurs, le filtre a une plus petite dimension et est plus simple et moins coûteux. Le principe d'accord reposant sur la division précitée en zones élémentaires a été utilisé pour l'amélio- ration des performances du filtre, surtout dans les appa- reillages militaires dans lesquels l'accord mécanique et souvent l'accord automatique sont réalisés par un moteur pas à pas ou d'asservissement ayant une commande électro- nique En outre, il existe dans le commerce un filtre double qui est destiné aux appareillages d'un réseau téléphonique mobile, tel que "NMT-450 " et dans lequel les filtres d'émission et de réception peuvent être accordés par un moteur pas à pas et la plage d'accord est divisée en huit zones élémentaires Ainsi, le moteur pas à pas com- porte huit pas, et le dispositif de rotation est un arbre à encoches disposé dans tout le filtre, les encoches jouant le rôle de condensateurs d'ajustement L'arbre est mis à la masse par un certain nombre de ressorts, et l'arbre et les ressorts doivent être revêtus d'or afin que les contacts ne posent pas de problèmes. Comme l'indique la présentation qui précède, les appareils de la technique antérieure, mettant en oeuvre la division de la plage d'accord, sont très compliqués et ont donc une fabrication qui est difficile et coûteuse En conséquence, ils ont été utilisés essentiellement dans les applications dans lesquelles le prix de l'appareillage n'est pas primordial (tel que les appareillages mili- taires) Le filtre connu décrit précédemment et destiné aux applications civiles est non seulement coûteux dans ces applications particulières mais aussi sensible aux perturbations pendant le fonctionnement. La présente invention a pour objet l'utilisation du principe d'accord reposant sur la division en zones élémen- taires de manière que l'appareillage reste aussi simple que possible et avantageux au point de vue des coûts de fabri- cation, c'est-à-dire qu'une solution optimale est obtenue entre les avantages tirés du principe d'accord et les coûts de fabrication Ce compromis est obtenu par mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention qui se caractérise en ce que la plage d'accord est divisée au maximum en trois zones élémentaires ( 1 de sortie au maximum. L'invention repose sur la découverte du fait que, dans les filtres doubles, lors de l'utilisation du principe de subdivision, le plus grand avantage relatif est obtenu habituellement lorsque le nombre de zones élémentaires est égal à 2 ou au plus à 3, si bien que l'appareillage, surtout le mécanisme d'accord, a encore une structure simple. L'invention concerne une solution rentable et fiable au point de vue du fonctionnement, notamment destinée au filtre double qui est aussi incorporé au réseau cellulaire public qui a tendance à se développer, de la manière décrite précédemment. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, le principe d'accord mettant en oeuvre des zones élémen- taires est utilisé dans le filtre double uniquement dans le filtre d'émission dans lequel il donne le plus grand avantage De cette manière, le filtre double est plus simple que précédemment, car le mécanisme d'accord n'est pas nécessaire dans le filtre de réception. Dans un autre mode de réalisation préféré, le dispositif d'accord comprend un électro-aimant L'utilisa- tion d'un électro-aimant rend très simple le mécanisme d'accord. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation de l'invention, faite en référence au dessin annexé sur lequel la figure unique est une vue en perspective d'un filtre émetteur accordable magnétiquement appartenant à un filtre double selon l'invention. Le filtre d'émission, accordable magnétiquement, appartenant au filtre double représenté sur la figure 1 comporte deux résonateurs parallèles 10 et 20 à ligne d'émission respectivement, formés d'un fil métallique rectiligne et entourés par un boîtier 30 qui est formé de métal ou qui est revêtu de métal (le couvercle n'est pas représenté) Une paroi 31 de séparation du boîtier est placée entre les résonateurs. Un électro-aimant 1, qui peut être commandé entre deux ou trois positions, c'est-à-dire deux positions extrêmes et une position intermédiaire éventuelle, est fixé à l'extérieur du boîtier Un organe de déplacement qui se déplace en étant guidé par l'électro-aimant est raccordé à celui-ci Dans ce cas particulier, l'organe de déplacement comporte une tige 2 raccordée à une première extrémité à l'électro- aimant et disposée dans tout le filtre d'émission (ses deux résonateurs) L'électro-aimant déplace la tige 1 en alternance entre les deux ou trois positions d'accord comme indiqué par la flèche A Lors de l'accord, les deux résonateurs ont un ressort à lame 12 et 22 respectivement qui a pratiquement une forme en U dans la direction longi- tudinale de la tige 2 et qui est fixé à une première extrémité au boîtier 30 et à l'autre extrémité à la tige 2. Lorsque la tige 2 se déplace en étant guidée par l'électro- aimant, les deux ressorts se rapprochent ou s'écartent de la ligne correspondante de transmission respectivement si bien que la capacité d'accord formée entre l'extrémité ouverte de la ligne de transmission et le ressort varie Ce changement provoque le changement voulu de fréquence de résonance du résonateur si bien que le filtre est accordé sur la zone élémentaire Bl ou B 2 * L'électro-aimant, dans le cas le plus simple, passe par les différentes positions (les positions extrêmes et éventuellement la position intermédiaire) par connexion de la tension de commande de l'électro-aimant entre les états de présence et d'absence sous la commande de l'organe de commande de canal de l'appareillage Comme l'utilisation d'une commande de canal pour l'accord est déjà connue et n'entre pas dans le cadre de l'invention, on ne la décrit pas plus en détail. Les résonateurs 10 et 20 sont raccordés de manière connue à une structure entourant le filtre d'émission, et les connexions ne sont pas représentées séparément. Dans un essai illustratif des performances obtenues en pratique, des prototypes ont été réalisés par simulation sur ordinateur pour la branche d'émetteur d'un filtre double NMT-450, à la fois par utilisation d'une approche classique (n = 1, c'est-à-dire toute la plage d'accord sans subdivision) et par utilisation de la structure précitée dont la plage d'accord est divisée en deux zones élémen- taires (n = 2, c'est-à-dire que l'électro-aimant a deux positions) La comparaison a été la suivante: n = 1 N = 2 Nombre de résonateurs 3 2 Atténuation de la bande passante 1,8 d B 1,1 d B* Variation de l'atténuation 1 d B 0,2 d B Atténuation dans la bande d'arrêt 58 d B 63 d B** * Fréquence d'émission ** Fréquence de réception Dans cette comparaison, la différence portant sur le nombre de résonateurs est due à la transition au principe de subdivision; les propriétés nécessaires de pente peuvent être obtenues par omission d'un résonateur Les résonateurs ont la même dimension et l'espace nécessaire dans le filtre selon l'invention est donc égal aux deux tiers de l'espace nécessaire avec un filtre sans subdivi- sion L'espace nécessaire pour l'électro-aimant 1 est nettement inférieur à celui du troisième résonateur Dans le réseau NMT par exemple, lorsque la puissance transmise à l'antenne doit être de 15 W, la différence d'atténuation de bande passante de 0,7 d B apparaissant d'après la comparai- son indique que l'utilisation de l'appareillage selon l'invention réduit la quantité d'énergie transformée en chaleur de 8,45 W (avec un rendement de 40 %) Lorsque la dimension de l'appareillage est réduite, la disposition d'un refroidissement peut devenir décisif si bien que la réduction de puissance transformée en chaleur a une impor- tance vitale. On peut montrer, par une simulation analogue sur ordinateur, qu'une réduction supplémentaire dans l'atténua- tion de la bande passante se produit lorsqu'on utilise trois zones élémentaires, bien qu'avec une amplitude qui n'atteint pas celle de la transition d'une zone à deux zones élémentaires. Le principe de subdivision peut être appliqué au filtre récepteur Comme la fonction principale du filtre récepteur est cependant d'empêcher la propagation des signaux indésirables vers le récepteur, le nombre de circuits ne peut pas être réduit et, ainsi, la division n'est pas aussi avantageuse que dans le filtre d'émission. Pour cette raison, il est préférable d'utiliser le principe de l'invention uniquement dans le filtre d'émission Comme le filtre de réception peut être réalisé comme le filtre d'émission décrit précédemment ou d'une manière connue, il n'est pas représenté séparément. Bien qu'on ait décrit l'invention en référence à l'exemple représenté sur le dessin, il est évident que l'invention n'est pas limitée à ce mode de réalisation. Ainsi, l'invention peut s'appliquer à tous les filtres à hautes fréquences, bien que l'exemple précédent concerne un filtre double Le mécanisme d'accord comprenant l'électro- aimant, la tige et les ressorts peut être de type très différent D'abord, les ressorts formés de métal ou revêtus de métal et agissant comme dispositif d'accord peuvent être remplacés par exemple par un organe diélectrique formé d'un matériau ayant une constante diélectrique supérieure à celle de l'air et qui est déplacée entre les résonateurs. Un tel organe diélectrique affecte la constante diélec- trique efficace du résonateur et fait ainsi varier la fréquence de la même manière que le ressort métallique. Ensuite, l'électro-aimant peut être remplacé par exemple par un convertisseur électromagnétique convenant à cet effet, par exemple un convertisseur piézoélectrique ou à magnétostriction En principe, il est possible de remplacer l'électro-aimant par un convertisseur auquel aucun organe mécanique de déplacement n'est fixé mais qui fait varier la constante diélectrique d'un organe diélectrique fixe dans le résonateur, par un champ électrique ou magnétique, si bien que la fréquence de résonance varie de la même manière que dans le cas d'un organe diélectrique mobile ayant une constante diélectrique fixe En conséquence, lorsqu'un convertisseur est indiqué dans les revendications annexées, il faut noter qu'il désigne non seulement l'électro-aimant décrit dans l'exemple représenté sur la figure mais aussi dans les variantes précédentes Le filtre d'émission peut lui-même comprendre plusieurs convertisseurs; la solution la plus simple est obtenue cependant de manière qu'un convertisseur accorde simultanément tous les résonateurs. En principe, l'accord peut aussi être réalisé par exemple avec des diodes PIN ou capacitives, mais un problème posé5 par ces composants est qu'ils ne sont pas linéaires pour les niveaux d'énergie élevés Le type de résonateur incor- poré au filtre peut aussi varier dans le cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Procédé d'accord d'un filtre, dans lequel une plage d'accord est divisée en zones élémentaires qui recouvrent ensemble toute la plage d'accord, et le filtre est accordé séparément sur chaque zone élémentaire, caractérisé en ce que la plage d'accord est divisée en trois zones élémentaires au maximum ( 1 2 Procédé selon la revendication 1, dans lequel le filtre est un filtre double comprenant des filtres séparés d'émission et de réception, destinés à séparer les signaux d'émetteur et de récepteur les uns des autres, caractérisé en ce que la division en zones élémentaires et l'accord sont réalisés uniquement dans le filtre d'émission. 3 Filtre, comprenant un dispositif ( 1, 2, 12, 22) destiné à accorder le filtre dans plusieurs zones élémen- taires qui recouvrent ensemble toute la plage d'accord, caractérisé en ce que le dispositif d'accord comporte un convertisseur ( 1) commandant des résonateurs ( 10; 20), le convertisseur pouvant être commandé entre trois positions de sortie au maximum. 4 Filtre selon la revendication 3, caractérisé en ce que le convertisseur est un électro-aimant ( 1). Filtre selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce qu'un organe de déplacement au moins ( 2) est raccordé au convertisseur afin qu'il déplace mécaniquement un dispositif d'accord ( 12; 22) placé dans chaque résonateur ( 10; 20). 6 Filtre selon la revendication 5, caractérisé en * ce que l'organe d'accord est un ressort ( 12, 22) agissant comme électrode d'un condensateur, si bien que la capacité d'accord varie entre le ressort et une ligne de transmis- sion ( 11; 21) du résonateur ( 10; 20). 7 Filtre selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif d'accord est un organe diélectrique. 8 Filtre selon l'une quelconque des revendications à 7, caractérisé en ce que l'organe de déplacement comporte une tige ( 2) à laquelle est fixé le dispositif d'accord ( 12; 22) de chaque résonateur ( 10; 20), la tige déplaçant simultanément les dispositifs d'accord ( 12; 22) de tous les résonateurs ( 10; 20). 9 Filtre selon la revendication 3, caractérisé en ce que le convertisseur est un convertisseur créant un champ électrique ou magnétique au moins, et un organe diélectrique fixe est placé dans chaque résonateur, le champ électrique ou magnétique au moins faisant varier la constante diélectrique de l'organe diélectrique.