Brevet FR2674688A1 — publié le 19921002

Filtre agile pour hyperfréquences L'invention concerne un filtre agile pour hyperfréquences, passe-bande, applicable aussi bien à l'émission qu'à la réception de faisceaux hertziens agiles en fréquence, et appliquable à tout système ayant besoin d'une fonction de filtrage en hyperfréquences. Un tel filtre permet de déplacer la fréquence centrale de la bande passante, dans une gamme de fréquences, au moyen d'une commande électrique. La demande de brevet français enregistrée sous le numéro 90.02280 décrit un filtre agile pour hyperfréquences, comportant un résonateur en ferrite polycristallin, placé dans un guide d'ondes à section rectangulaire utilisé en mode évanescent, c'est-à-dire à une fréquence inférieure à sa fréquence de coupure. Le résonateur a une forme cylindrique dont l'axe de symétrie de révolution est orthogonal aux grandes faces internes du tronçon de guide d'ondes. Ce tronçon du guide d'ondes est fermé par deux plaques métalliques munies respectivement d'une antenne d'entrée et d'une antenne de sortie du filtre. La fréquence de résonance du résonateur en ferrite dépend du produit de sa permittivité diélectrique relative par sa perméabilité magnétique relative, de telle sorte qu'il est possible de faire varier la fréquence de résonance, et donc la fréquence centrale d'accord du filtre, en appliquant un champ magnétique extérieur de polarisation au résonateur en ferrite, et en réglant l'intensité de ce champ magnétique. Cette demande de brevet décrit deux variantes. Selon une variante, le résonateur en ferrite est placé en contact avec l'une des grandes faces internes du tronçon du guide. Selon une autre variante, une mince pastille de matériau diélectrique à faible permittivité est intercalée entre le résonateur et l'une des grandes faces internes du tronçon du guide, de façon à éloigner un peu le résonateur de cette face, pour éviter, dans certains cas, des perturbations. Ces deux variantes permettent d'obtenir un coefficient de surtension élevé, mais le rapport de la largeur de la bande dans laquelle le filtre est accordable (agilité) sur la fréquence centrale de cette bande est relativement faible. Ce rapport est limité à cause de l'apparition de modes parasites. Le but de l'invention est de proposer un filtre de bande, agile en fréquence, applicable aussi bien à l'émission qu'à la réception, et procurant un rapport plus élevé, de la largeur de la bande dans laquelle le filtre est accordable, sur la fréquence centrale de cette bande. L'objet de l'invention est un filtre agile pour hyperfréquences, passe-bande, caractérisé en ce qu'il comporte : au moins un résonateur composite comportant des parties en ferrite et des parties en diélectrique; et des moyens pour appliquer un champ magnétique extérieur pour polariser chaque résonateur, la fréquence d'accord de chaque résonateur étant réglable en faisant varier le champ magnétique de polarisation. Selon un mode de réalisation préférentiel, chaque résonateur est constitué d'une pluralité de couches de ferrite, alternées avec une pluralité de couches de diélectrique. Le filtre ainsi caractérisé évite, sur une plus large bande d'accord, l'apparition de modes parasites, grâce au fait que chaque résonateur en ferrite est fractionné en plusieurs parties qui sont séparées par des couches de diélectrique. Selon un mode de réalisation préférentiel, chaque résonateur est disposé dans un tronçon de guide d'ondes, à section rectangulaire, utilisé en dessous de sa fréquence de coupure, et muni de moyens de couplage d'entrée et de moyens de couplage de sortie. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails apparattront à l'aide de la description ci-dessous et des figures l'accompagnant - la figure 1 représente schématiquement une vue en coupe longitudinale d'un exemple de réalisation du filtre selon l'invention, comportant un seul résonateur; et dans lequel les moyens de couplage d'entrée et de sortie sont des antennes; - la figure 2 représente schématiquement une vue en perspective de ce même exemple de réalisation; - la figure 3 représente schématiquement une coupe longitudinale d'un deuxième exemple de réalisation, comportant un seul résonateur dont les extrémités traversent les parois du guide; et dans lequel les moyens de couplage d'entrée et de sortie sont des boucles; - la figure 4 représente schématiquement une coupe longitudinale d'un troisième exemple de réalisation, comportant un seul résonateur dont les deux extrémités comportent chacune une partie en saillie, qui traverse partiellement une paroi du guide; et dans lequel les moyens de couplage d'entrée et de sortie sont des boucles; - la figure 5 représente schématiquement une coupe longitudinale d'un quatrième exemple de réalisation, comportant quatre résonateurs dont les extrémités pénètrent légèrement dans deux parois du guide d'ondes; - la figure 6 représente schématiquement une coupe longitudinale d'un cinquième exemple réalisation comportant quatre résonateurs dont les extrémités traversent la paroi du guide d'ondes; - les figures 7 et 8 représentent les courbes de réponse en fréquence du premier et du quatrième exemple de réalisation. La figure 1 montre que le premier exemple de réalisation comporte - un tronçon de guide d'onde, 14, à section rectangulaire; - deux plaques métalliques, 2 et 4, fermant les extrémités du tronçon de guide 14; - une prise coaxiale d'entrée, 1, et une prise coaxiale de sortie, 6; - une antenne d'entrée, 13, et une antenne de sortie, 11, prolongeant le conducteur central de la prise 1 et celui de la prise 6 respectivement, en traversant la plaque 2 par un bouchon isolant 15 et en traversant la plaque 4 par un bouchon isolant 10; - un résonateur 5, coincé entre les deux grandes faces internes du tronçon de guide 14, et ayant une forme cylindrique dont l'axe de symétrie de révolution est orthogonal à ces grandes faces;; - deux pièces polaires, 3 et 12, placées symétriquement par rapport à l'axe de symétrie du tronçon de guide, et placées selon l'axe de symétrie de révolution du résonateur 5, pour appliquer à celui-ci un champ magnétique de polarisation, réglable, à travers les paroies du tronçon de guide 14. Les pièces polaires 3 et 12 font partie d'un circuit magnétique qui n'est pas représenté entièrement et qui comporte une bobine parcourue par un courant réglable afin de régler la fréquence d'accord du filtre. La figure 2 représente schématiquement une vue en perspective de ce premier exemple de réalisation. Cette figure montre la forme circulaire du résonateur 5 et sa structure. Il comporte - une première couche de ferrite 21 qui est en contact avec une première grande face interne 28 du tronçon du guide d'ondes 14; - une deuxième couche de ferrite, 23; - une troisième couche de ferrite, 25, qui est en contact avec une seconde grande face interne 26 du tronçon de guide 14; - une première couche de diélectrique 22 intercalée entre la première couche 21 et la deuxième couche 23 de ferrite; - une deuxième couche 24 de diélectrique intercalée entre la deuxième couche 23 et la troisième couche 25 de ferrite. Dans un exemple de réalisation, le diamètre commun aux trois couches de ferrite, 21, 23, 25 est égal à 18 mm. Les épaisseurs de ces couches sont respectivement égales à 3,3 mm; 3,8 mm; 3,8 mm. Les deux couches de diélectrique, 22 et 24 ont un diamètre commun égal aussi à 18 mm, et une épaisseur commune égale à 1 mm. Dans d'autres exemples de réalisation, le diamètre des couches de diélectrique 22, 24 peut etre légèrement supérieur ou inférieur à celui des couches de ferrite 21, 23, 25 sans que les caractéristiques du filtre soient beaucoup altérées. Le ferrite polycristallin constituant les couches 21, 23, 25 est du type Y215 commercialisé par la société TEKELEC MICROWAVE. Le diélectrique constituant les couches 22 et 24 est du polytétrafluoréthylène. La section interne du guide d'onde a pour largeur 30 mm et pour hauteur 12,9 mm. Dans cet exemple de réalisation, l'épaisseur des couches de diélectrique, 22 et 24, est choisie telle que le résonateur reste coincé entre les deux grandes faces internes 26 et 28. La longueur du tronçon de guide entre les plaques 2 et 4 est égale à 30 mm. L'axe de symétrie du résonateur 5 est situé dans un plan de symétrie du tronçon de guide 14, et l'espace restant entre le résonateur 5 et les petites faces internes 20 et 27 du tronçon de guide d'onde a une largeur de 6 mm des deux caties. La largeur de cet espace peut être quelconque à condition d'être au moins égale à 2 mm, dans cet exemple de réalisation, et sous la coupure des modes guidés. La fréquence de résonance du résonateur dépend essentiellement de la nature du ferrite et du volume total de ferrite et de diélectrique. Ce volume total est déterminé en fonction de la fréquence d'accord FO souhaitée, en présence du champ magnétique extérieur de polarisation. L'épaisseur des couches 21, 23, 25 de ferrite est alors déterminée à partir du volume total de ferrite nécessaire pour obtenir la fréquence d'accord souhaitée, et en fonction de l'espace disponible entre les deux grandes faces internes 26 et 28, en soustrayant ltépaisseur choisie pour les deux couches de diélectrique 22 et 24. De préférence, les épaisseurs des trois couches de ferrite 21, 23, 25 sont légèrement inférieures à un tiers de l'épaisseur totale de ferrite nécessaire pour obtenir la fréquence FO souhaitée, avec un diamètre donné pour le résonateur. En pratique l'une des couches de ferrite est usinée pour réduire son épaisseur jusqu a ce que la fréquence d'accord mesurée soit égale à la fréquence d'accord souhaitée.Corrélativement, les épaisseurs des deux couches de diélectriques, 22 et 24, sont modifiées de telle sorte que la hauteur totale du résonateur reste égale à la distance entre les deux grandes faces 26 et 28, pour coincer le résonateur 5 et pour obtenir l'accord à la fréquence FO souhaitée. Dans tous les cas, l'épaisseur de chaque couche de diélectrique est choisie très inférieure à la longueur d'onde. Selon un mode de réalisation préférentiel, un résonateur comporte trois couches de ferrite entre lesquelles sont intercalées deux couches de diélectrique, de faible épaisseur, pour éviter les modes parasites. Mais la portée de l'invention ne se limite pas à ce nombre de couches, il est possible de réaliser un résonateur comportant, par exemple, cinq couches de ferrite et quatre couches de diélectrique. Il est possible aussi de placer le résonateur à l'intérieur d'une cavité ayant une forme cylindrique dont l'axe de symétrie de révolution est confondu avec celui du résonateur, ou décalé par rapport à celui-ci. L'exemple de réalisation décrit ci-dessus comporte un résonateur ayant une forme cylindrique, mais il pourrait être constitué aussi d'un résonateur de forme parallélépipèdique, dont l'axe de symétrie est disposé perpendiculairement aux grandes faces du guide et dans le plan de symétrie du guide. Cette variante de réalisation est possible aussi pour tout les autres exemples de réalisation qui vont être décrits dans la suite. La figure 3 représente schématiquement une coupe longitudinale d'un deuxième exemple de réalisation, comportant un seul résonateur dont les extrémités traversent les parois du guide; et dans lequel les moyens de couplage d'entrée et de sortie sont des boucles. Il comporte - un tronçon de guide d'onde, 53, à section rectangulaire; - deux plaques métalliques, 50 et 54, fermant les extrémités du tronçon de guide 53; - une prise coaxiale d'entrée, 47, et une prise coaxiale de sortie, 56; - une boucle d'entrée, 63, et une boucle de sortie 58, prolongeant respectivement le conducteur central de la prise 47 et celui de la prise 56, en traversant la plaque 50 par un bouchon isolant 64 et en traversant la plaque 54 par un bouchon isolant 57, puis étant fixées à la paroi du tronçon de guide 53 au moyen d'une vis 62 et d'une vis 59 respectivement;; - un résonateur 55, ayant une forme cylindrique dont l'axe de symétrie de révolution est orthogonal aux grandes faces du tronçon de guide, et situé dans un plan de symétrie du tronçon de guide 53; - deux pièces polaires, 52 et 60, placées symétriquement par rapport à l'axe de symétrie du tronçon de guide, et selon l'axe de symétrie de révolution du résonateur 55, pour appliquer à celui-ci un champ magnétique de polarisation, réglable. Dans cet exemple de réalisation le résonateur 55 comporte - une couche de ferrite 65, traversant la paroi du tronçon de guide 53, par un trou 51; - une couche de diélectrique, 66; - une couche de ferrite, 67; - une couche de diélectrique, 68; - une couche de ferrite, 69; traversant la paroi du tronçon de guide d'onde 53, par un trou 61. Les trous 51 et 61 sont des trous circulaires dont la section est égale à la section des couches 69 et 65 pour assurer un bon contact de la paroi du trou 61 avec le chant de la couche 69, et du trou 51 avec le chant de la couche 65. Toute la surface de base de la couche 65 est en contact avec une pièce polaire 52 faisant partie d'un circuit magnétique procurant un champ magnétique réglable, pour polariser le résonateur 55. De même, toute la surface de base de la couche 69 est en contact avec une pièce polaire 60. Dans cet exemple de réalisation, les couches de ferrite 65 et 69 qui constituent les extrémités du résonateur, dépassent largement à l'extérieur des parois du tronçon de guide 53, mais ce n'est pas indispensable. Il suffit que le contact des parois des trous 51 et 61 sur le chant des couches 65 et 69 courcircuite les lignes de champ magnétique hyperfréquence parcourant ces couches de ferrite. Par ailleurs, les couches de ferrite 65 et 69 doivent dépasser un peu du côté de l'intérieur du tronçon de guide 53, afin de jouer un rôle dans la résonance.La section des trous 51 et 61 et, par conséquent, la section de l'ensemble du résonateur 55 et des pièces polaires 52 et 60, est choisie telle qu'elle est inférieure à la section de coupure pour la fréquence d'accord du filtre. La figure 4 représente schématiquement une coupe longitudinale d'un troisième exemple de réalisation qui est une variante du deuxième exemple de réalisation. Les éléments identiques portent la même référence numérique avec l'indice '. I1 diffère du deuxième exemple de de réalisation par la forme des extrémités de son résonateur 75. Le résonateur 75 comporte - une couche de ferrite 77 constituant une première extrémité du résonateur 75, sa surface de base comportant une partie en saillie, 72, et un épaulement périphérique 76; - une couche de diélectrique 78; - une couche de ferrite 79; - une couche de diélectrique 80; - une couche de ferrite, 81, constituant une seconde extrémité du résonateur 75, sa surface de base comportant une partie en saillie, 82, entourée par un épaulement périphérique 83. L'ensemble du résonateur 75 a une symétrie de révolution. Les parties en saillie, 72 et 82, ont une surface plane. Elles traversent partiellement les deux grandes parois du tronçon du guide d'ondes 53' et elles sont en contact respectivement avec deux pièces polaires, 73 et 85. La jonction entre chaque partie en saillie 72, 82 et l'une des pièces polaires 73, 85 est située approximativement au milieu de l'épaisseur des parois du tronçon de guide d'onde 53', mais le choix de la position de cette jonction peut varier assez largement à l'intérieur de l'épaisseur de ces parois et peut même être tout à fait à l'extérieur de ces parois. Les couches de ferrite 77 et 81 s'appuient respectivement sur les grandes faces internes 49' et 48' du tronçon de guide d'onde 53' par leurs épaulements 76 et 83 qui ont chacun la forme d'une couronne. Les zones de contact des parois du tronçon de guide d'onde 53' avec les épaulements 76 et 83, et avec les chants des parties en saillie 72 et 82 court-circuitent les lignes du champ magnétique hyperfréquence qui traverse le résonateur 75. Pour assurer un bon contact, la section des trous 74, 84 est égale à la section des parties en saillie 72, 82. La section des trous 74 et 84 est choisie inférieure à la section de coupure correspondant à la fréquence d'accord du filtre. La figure 5 représente schématiquement une vue en coupe longitudinale d'un quatrième exemple de réalisation qui est un filtre passe-bande, agile, comportant quatre résonateurs 102 à 105 analogues à ceux décrits précédemment en référence à la figure 1. Les pièces polaires et les bobines appliquant un champ magnétique de polarisation à chaque résonateur ne sont pas représentées. Les résonateurs 102 à 105 sont placés dans quatre tronçons de guide d'ondes à section rectangulaire, 90, 92, 94, 96 qui sont montés en série entre deux plaques de fermeture, 88 et 97, munies respectivement d'une antenne d'entrée 100 et d'une antenne de sortie 106. Des iris 91, 93, 95, constitué chacun d'une fente parallèle à l'axe de symétrie des résonateurs, sont intercalés entre les tronçons de guide d'onde 90, 92, 94, 96; et déterminent le degré de couplage entre deux résonateurs voisins. Dans ce mode de réalisation, chaque résonateur est fixé aux grandes faces internes d'un tronçon de guide d'ondes au moyen de deux lamages en forme de cuvettes circulaires, 89 et 101, creusées dans les deux grandes faces internes et ayant une faible profondeur, vis-à-vis de la longueur d'onde de fonctionnement du filtre. Comme il apparaitra plus loin, cette mise en cascade d'une pluralité de résonateurs permet d'améliorer les performances du filtre, et la portée de l'invention n'est pas limitée à quatre résonateurs. La figure 6 représente une coupe longitudinale d'un cinquième exemple de réalisation comportant quatre résonateurs, 123 , 126, 129, 132, analogues au résonateur 55 décrit précédemment en référence à la figure 3. Les couches de ferrite constituant les extrémités du résonateur 123 sont en contact, sur toute leur surface de base, avec deux pièces polaires 112 et 124 respectivement. Les couches de ferrite constituant les extrémités du résonateur 126 sont en contact, sur toute leur surface de base, avec deux pièces polaires 114 et 127 respectivement. Les couches de ferrite constituant les deux extrémités du résonateur 129 sont en contact, sur toute leur surface de base, avec deux pièces polaires 116 et 130 respectivement. Les couches de ferrite constituant les extrémités du résonateur 132 sont en contact, sur toute leur surface de base, avec deux pièces polaires 118 et 133 respectivement. Les résonateurs 123, 126, 129, 132 sont placés respectivement dans quatre tronçons de guide d'ondes à section rectangulaire : 111, 113, 115, 117, qui sont montés en série entre deux transitions 110, 119. Les transitions 110 et 119 comportent chacune : une partie 108, respectivement 120, destinée à être raccordée à un guide d'ondes à propagation guidée; et une partie 109, respectivement 121, constituant un tronçon de guide d'ondes à propagation évanescente. Les tronçons de guide d'onde 111, 113, 115, 117 ont une section telle que la propagation serait évanescente à la fréquence d'accord du filtre, mais leur section est réduite en outre par la présence : de la transition 110 qui est emboîtée à l'intérieur du tronçon de guide 111, d'une bague 125 qui est emboîtée à la fois dans le tronçon de guide 111 et dans le tronçon de guide 113; d'une bague 128 qui est emboîtée à la fois dans le tronçon de guide 113 et dans le tronçon de guide 115; d'une bague 131 qui est emboîtée à la fois dans le tronçon de guide 115 et dans le tronçon de guide 117; et de la transition 119 qui est embossée dans le tronçon de guide 117. Les bagues 125, 128, 131 ont pour rôle de doser le couplage entre les résonateurs 123, 126, 129, 132. La longueur de chacun des résonateurs 123, 126, 129, 132 est telle que la jonction avec les pièces polaires est située dans l'épaisseur des bagues 125, 128, 131 et dans l'épaisseur des parties 109 et 121 des transitions 110 et 119. Les trous de passage des résonateurs et des pièces polaires dans les tronçons de guide 111, 113, 115, 117 ont une section inférieure à la section correspondant à la coupure pour la fréquence d'accord du filtre. La figure 7 représente la courbe de réponse du premier exemple de réalisation pour différentes valeurs du champ magnétique polarisant le résonateur. I1 apparat que pour chaque valeur de ce champ magnétique le résonateur possède deux pics de résonance. A titre d'exemple, la courbe en traits pleins montre la réponse pour une valeur de champ magnétique. Cette réponse comporte deux pics d'amplitudes identiques, séparés d'environ 25 % de Fo, fréquence centrale voulue. Cet exemple de réalisation est néanmoins utilisable dans toute la bande Fl, F2. La figure 8 représente la courbe de réponse en fréquence du quatrième exemple de réalisation, pour cinq valeurs du champ magnétique de polarisation. Ces courbes de réponse ne comportent pas de pic parasite car il est atténué de 40 à 50 dB, et elles ont une pente beaucoup plus élevée, sur les flancs de la bande passante. Ce filtre est utilisable dans une bande F3, F4 qui est en environ 10 % moins large que la bande F1, F2. REVENDICATIONS : 1) Filtre agile pour hyperfréquences, passe-bande, caractérisé en ce qu'il comporte : au moins un résonateur composite (5) comportant des parties (21, 23, 25) en ferrite et des parties (22, 24) en diélectrique; et des moyens (3, 12) pour appliquer un champ magnétique extérieur pour polariser chaque résonateur (5), la fréquence d'accord de chaque résonateur étant réglable en faisant varier le champ magnétique de polarisation. 2) Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque résonateur (5) est constitué d'une pluralité de couches de ferrite (21, 23, 25), alternées avec une pluralité de couches de diélectrique (22, 24). 3) Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque résonateur (5) est disposé dans un tronçon de guide d'ondes (14), utilisé en dessous de sa fréquence de coupure, et muni de moyens de couplage d'entrée (13) et de moyens de couplage de sortie (11). 4) Filtre selon la revendication 3 caractérisé en ce que chaque résonateur (5) a une forme cylindrique ou parallélépipèdique dont un axe de symétrie est orthogonal aux grandes faces (26, 28) du guide d'ondes. 5) Filtre selon la revendication 3 caractérisé en ce que les deux extrémités de chaque résonateur sont constituées chacune d'une couche de ferrite (21, 25) et sont respectivement en contact avec les deux grandes faces internes (26, 28) du tronçon de guide. 6) Filtre selon la revendication 5, caractérisé en ce que - les deux couches de ferrite (21, 25) constituant les extrémités de chaque résonateur (5) sont en contact avec les deux faces internes (26, 28) du tronçon de guide sur toute la surface de base de ces couches; - et les moyens pour appliquer un champ magnétique comportent deux pièces polaires (3, 12) placées en vis-à-vis des extrémités du résonateur (5) et à l'extérieur du tronçon de guide (14), contre les paroies de celui-ci. 7) Filtre selon la revendication 6, caractérisé en ce que, pour fixer chaque résonateur (102, 103, 104, 105), les grandes faces internes de chaque tronçon de guide (90, 92, 94, 96) comportent chacune un lamage (89, 101) en forme de cuvette. 8) Filtre selon la revendication 5, caractérisé en ce que - les deux couches de ferrite (65, 69) constituant les extrémités de chaque résonateur (55) sont en contact avec les deux faces internes (48, 49) du tronçon de guide, seulement sur le chant de ces couches; - ces couches traversent, au moins partiellement, respectivement, deux trous (51, 61) percés respectivement dans les deux grandes parois du tronçon de guide (53) et ayant une section inférieure à la section de coupure correspondant à la fréquence d'accord du filtre; - et ces couches (65, 69) sont en contact, sur toute leur surface de base, avec des pièces polaires (52, 60) faisant partie des moyens pour appliquer un champ magnétique. 9) Filtre selon la revendication 5, caractérisé en ce que - les deux couches de ferrite (77, 81) constituant les extrémités de chaque résonateur (75) sont en contact avec les deux faces internes (48', 49') du tronçon de guide (53'), par un épaulement (76, 83) situé à la périphérie de la surface de base de ces couches (77, 81); - et le reste (72, 82) de cette surface de base étant une surface plane en saillie et traversant au moins partiellement la paroi du tronçon de guide d'onde (53'). 10) Filtre selon la revendication 9, caractérisé en ce que - la partie en saillie (72, 82) traverse au moins partiellement la paroi par un trou (74, 84) dont la section est inférieure à la section de coupure pour la fréquence d'accord du filtre, et est égale à la section de la partie en saillie (72, 82) pour assurer un bon contact avec le chant de cette partie en saillie; - et la surface de base de cette partie en saillie (72, 82) est en contact avec une pièce polaire (73, 85) faisant partie des moyens pour appliquer un champ magnétique. 11) Filtre selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque résonateur (5) comporte - trois couches de ferrite (21, 23, 25) dont les épaisseurs sont voisines d'un tiers de l'épaisseur totale de ferrite nécessaire pour obtenir une fréquence centrale d'accord souhaitée, avec un diamètre donné pour le résonateur; - deux couches de diélectrique (22, 24) intercalées entre les trois couches de ferrite (21, 23, 25), ayant deux épaisseurs voisines et telles que les couches de ferrite (21, 25) constituant les deux bases du résonateur soient en contact avec les deux grandes faces internes (26, 28) du tronçon de guide.