Brevet FR2682833A1 — publié le 19930423

FILTRE A ONDES DE SURFACE ET A TRAJET ACOUSTIQUE REPLIE La présente invention se rapporte à un filtre à ondes acoustiques de surface, ce filtre étant un filtre dont le trajet acoustique a été replié. Un filtre de ce type comporte généralement, sur un même substrat, au moins un transducteur d'entrée et au moins un transducteur de sortie, tous deux bidirectionnels et placés sur ce substrat de manière à définir, pour les ondes acoustiques de surface, un trajet direct longitudinal entre ces deux transducteurs, au moins deux réseaux réfléchissants, ou "réflecteurs", étant par ailleurs respectivement prévus sur ce substrat de part et d'autre de ce couple de transducteurs et sur cet axe longitudinal de propagation des ondes acoustiques de surface, de telle sorte que les centres de transduction des transducteurs se trouvent sur des ventres de la cavité résonante. A ce propos, un filtre "deux pôles" à cavités résonnantes couplées longitudinalmeent de l'art connu est représenté schématiquement sur la figure 1 jointe. Ce filtre comporte, sur un même substrat 1 et alignés selon l'axe longitudinal Y de propagation des ondes acoustiques de surface de façon symétrique par rapport à la ligne médiane (L) inter-transducteurs . Un transducteur d'entrée 2 qui reçoit le signal hyperfréquence appliqué entre les bornes électriques d'entrée 3 du filtre et qui transforme ce signal en ondes acoustiques de surface de même fréquence et se déplaçant, dans un sens comme dans l'autre, sur le substrat 1 et selon la direction longitudinale Y. . Un transducteur de sortie 4, identique au transducteur 2, et apte inversement à transformer les ondes acoustiques de surface en signaux électriques prélevés sur les bornes électriques de sortie 5 du filtre. . Deux réseaux réfléchissants "externes" 6 et 7, identiques et placés respectivement, et de façon symétrique, de part et d'autre du couple de transducteurs 2,4 et sur l'axe longitudinal Y de propagation des ondes acoustiques de surface. Ces réseaux sont classiquement formés d'un réseau périodique ou quasi-périodique de réflecteurs élémentaires, la période entre éléments réfléchissants étant un multiple entier de demi-longueurs d'onde à la fréquence centrale de fonctionnement du filtre. . Un réseau réfléchissant "central" 8 prévu entre les deux transducteurs 2,4, selon l'axe Y et au milieu de l'intervalle séparant ces deux transducteurs, les distances X entre chacun de ces transducteurs et le bord le plus proche de ce réflecteur central 8 étant égales. Ce réseau 8 est de même périodicité que les réseaux externes 6,7. En revanche, il présente un coefficient de transmission non négligeable, contrairement à ces réseaux externes qui sont en pratique seulement réfléchissants. Ces réseaux réfléchissants (externes et central) peuvent à l'occasion être pondérés pour améliorer leur réponse hors bande (augmentation de la réjection). En dehors de la "bande d'arrêt" du filtre (c'est à dire de la bande de fréquences dans laquelle les réseaux sont réfléchissants), le dispositif se comporte comme une simple ligne à retard, seul le trajet direct entre le transducteur d'entrée 2 et le transducteur de sortie 4 étant pris en compte. Dans la bande d'arrêt, ce trajet direct existe toujours, mais en outre le dispositif fonctionne selon deux cavités résonnantes couplées longitudinalement: . une première cavité résonnante définie par les deux réflécteurs 6 et 8; . une deuxième cavité résonnante définie par les deux réflecteurs 7 et 8. Le couplage électromécanique avec ces cavités résonnantes est obtenu par les transducteurs d'entrée/sortie 2,4. Suivant la valeur de ce couplage, la surtension des cavités est plus ou moins grande et par suite la bande relative du dispositif plus ou moins faible. De même le couplage entre les deux cavités (c'est-à-dire la transmission du réseau central) doit être adapté à la bande relative à réaliser. Ainsi, lorsque ce couplage est faible, le nombre de trajets aller-retour entre les réseaux est grand, l'énergie restant longtemps confinée dans les cavités. La réponse impulsionnelle est longue et la bande relative faible le fonctionnement est celui d'un résonateur à fort coefficient de surtension. Inversement, lorsque ce couplage est fort, une fraction d'énergie importante est absorbée par les transducteurs à chaque passage de l'onde acoustique de surface. La réponse impulsionnelles est alors courte et la bande relative grande : le fonctionnement est celui d'un résonateur à faible coefficient de surtension. A noter qu'en l'absence de réflecteur central 8, le fonctionnement est celui d'un filtre à une seule cavité résonnante définie par les deux réflecteurs externes 6,7 : on a alors affaire à un filtre "un pôle", alors que le dispositif selon Figure 1 est un filtre "deux poles", à flancs plus raides. Dans le cas de ce genre de filtre à ondes de surface et à au moins une cavité résonnante, la présence du trajet direct provoque l'apparition de lobes secondaires de niveau d'autant plus élevé que l'on désire élargir la bande passante relative du filtre. La présence de ces lobes secondaires rend ce genre de filtre pratiquement inutilisable pour de larges bandes relatives. L Elle se rapporte à cet effet à un filtre hyperfréquence à ondes acoustiques de surface et à cavités résonnantes longitudinales, ce filtre se composant d'un nombre entier N, au moins égal à 2, de voies parallèles de filtrage comportant chacune un transducteur d'entrée bidirectionel et un transducteur de sortie définissant entre eux deux un trajet direct et au moins deux réseaux réfléchissants définissant pour cette voie au moins une cavité résonnante longitudinale, les amplitudes de transmission étant, au moins pour ces trajets directs, pratiquement les mêmes pour ces voies et la différence de longueur de propagation en trajet direct étant pour deux voies consécutives sensiblement égale, à un nombre entier de longueurs d'ordre à la fréquence centrale de filtrage près, au Nieme de cette longueur d'onde, de sorte que finalement, pour cette fréquence centrale, la résultante vectorielle des signaux de ces N voies qui correspondent aux trajets directs est pratiquement nulle, et qu' en conséquence il y a pratiquement annulation de la fonction de transfert en ligne à retard en dehors de la bande d'arrêt du filtre. De toute façon, l'invention sera bien comprise, et ses avantages et autres caractéristiques ressortiront, lors de la description suivante de quelques exemples nonlimitatifs de réalisation, en référence au dessin schématique annexé, dans lequel Figure 2 est une vue en plan d'une première forme de réalisation de ce filtre; . Figure 3 est une vue en coupe simplifiée selon III-III de Figure 2; . Figure 4 montre, de façon semblable à Figure 3, une variante de fabrication du filtre selon Figure 2; . Figures 5 et 6 schématisent deux variantes, parmi d'autres, de branchement électrique de ce même filtre; . Figure 7 montre, d'une manière généralisée, une structure d'un tel filtre comportant N voies au lieu de deux; .Figure 8 montre une variante améliorée du filtre selon Figure 2; et . Figures 9 à 12 sont des synoptiques de montages possibles pour ce genre de variante améliorée. En se reportant aux figures 2 et 3, il s'agit d'un filtre à ondes acoustiques de surface du même type que celui selon Figure 1, mais comportant deux voies en parallèle entre les bornes d'entrée/sortie 3,5 . une première voie V1 constituée en soi d'un filtre similaire à celui selon Figure 1, et comportant de ce fait un réflecteur central 81 placé à égales distances X du transducteur d'entrée 21 et du transducteur de sortie 4,, et deux réflecteurs externes 61 et 71 placés symétriquement et de part et d'autre de ces deux tranducteurs; et une deuxième voie V2 qui, avec ses transducteurs d'entrée/sortie 22,42, son réflecteur central 8 , et 2' ses réflecteurs externes 62,72, est pratiquement identique à la voie V1, à la différence essentielle près que, conformément à l'invention, les distances séparant les transducteurs 22 et 42 du bord le plus proche du réflecteur central 82 ne sont ici pas égales à X, mais égales à Xt /4,où est la longueur d'onde correspondant à la fréquence centrale du signal électrique. Tous les éléments actifs et passifs des voies V1 et V2 étant identiques, les amplitudes de transmission de ces deux voies sont les mêmes. I1 en résulte que, comptetenu de la différence de trajets directs 2-4 2 et 22-42 entre les deux voies V1 et V2 qui est égale à > / , la résultante vectorielle des signaux prélevés sur les transducteurs de sortie 41'42 et correspondant au trajet direct est nulle. Il y a donc pratiquement, dans la courbe de réponse de ce filtre, annulation de la fonction de transfert en ligne à retard en dehors de la bande d'arrêt du filtre, ce résultat étant bien-entendu, comme on y viendra ci-après, seulement rigoureux pour la fréquence centrale du filtre. En revanche, les trajets réfléchis multiples pour lesquels il existe entre les deux voies V1,V2 des différences égales à un multiple pair de demi-longueurs d'onde se retrouvent en sortie tous en phase, ou trajets d'ordre pair, et ne sont donc pas affectés par ce décalage entre voies. A noter que si les éléments du filtre étaient tous purement et simplement placés sur un seul substrat tel que celui selon Figure 1, il apparaitrait des couplages parasites entre les voies dus aux ondes de surface non rigoureusement longitudinales et allant de ce fait d'une voie vers l'autre. Conformément à un aspect avantageux de l'invention, cet inconvénient est évité, sans qu'il soit nécessaire de prévoir un substrat distinct pour chacune des voies V1 et V2, par le fait qu'une gorge longitudinale, ou rainure, 9 est creusée longitudinalement dans le substrat unique 1, de manière à séparer phyiquement et en surface ces voies V1 et V2. Les ondes de surface ne se propagent alors pratiquement pas d'une voie vers l'autre, en revanche les connexions électriques entre voies peuvent par exemple être réalisées sans problèmes par technique de connexion filaire par dessus cette rainure 9. En variante, comme représenté en Figure 4, il est possible, au lieu de creuser cette gorge 9, de déposer à la même place une couche longitudinale 10 en matériau absorbant pour les ondes acoustiques de surface, de tels matériaux étant sans problèmes disponibles dans le commerce. Pour éviter le couplage acoustique entre ces voies V1 et V2, il est aussi possible de décaler ces voies longitudinalement l'une par rapport à l'autre, en choisissant ce décalage pour que les deux trajets croisés "V1 vers V2" et "V2 vers VI" soient en opposition de phase. Ce décalage dépend de l'ouverture acoustique des voies ainsi que de leur séparation. A noter que dans cet exemple, les transducteurs d'entrée 21,22 d'une part, et les transducteurs de sortie 41'42 d'autre part sont connectés électriquement en parallèle. Leurs admittances s'ajoutent, ce qui diminue l'impédance de sortie : une telle configuration est bien adaptée aux sorties à basse impédance. Il va de soi que ce mode de connexion est optionnel, et que toutes les autres configurations sont réalisables du point de vue électrique sans changer le résultat dû à l'invention : configuration série-série (entrées et sorties respectivement), parallèle-série, série-parallèle, montages différentiels, etc... La figure 5 montre par exemple, pour ce filtre selon Figure 2, une configuration série des transducteurs d'entrée 21,22. La même configuration étant utilisée pour les transduteurs de sortie (non-représentés), ce sont cette fois ci les impédances qui s'ajoutent, augmentant par suite l'impédance de sortie du filtre : cette configuration est adaptée aux sorties à haute impédance. Un autre exemple de connexion est donné sur la figure 6, où il s'agit de branchements en montage différentiel, un tel montage étant adapté à ce type d'électronique où les circuits sont alimentés de manière symétrique par rapport à la masse; etc... I1 va de soi que la structure à deux voies selon la figure 2 n'est que préférentielle, et peut souffrir des modifications sans sortir du cadre de l'invention. C'est ainsi que la différence de trajets directs peut être égale à > /+,p étant un nombre entier, ce qui bien entendu ne change rien en ce qui concerne l'annulation de la fonction de transfert en ligne à retard, c'est à dire en trajet direct hors bande d'arrêt. Le caractère symètrique de chaque voie par rapport au réflecteur central est préférentiel, mais pas forcément obligatoire. Les réflecteurs peuvent être différents pour chacune de ces deux voies, pour peu que la condition d'identité des amplitudes de transmission soit respectée. Dans certains cas, on peut très bien se passer des réflecteurs centraux, etc... En supposant les réseaux réfléchissants centraux 81,82 symétriques et sans pertes, les coefficients de reflexion r et de transmission t sont de la forme Si R est le coefficient de réflexion des reseaux externes, la fonction de transfert du filtre est de la forme: R.sin2X. Pour minimiser les pertes, il faut avantageusement avoir un angle d égal à /4, auquel cas les modules de r et de t sont égaux à 1/ç- à la fréquence centrale. De plus, les circuits d'adaptation adaptent, à cette fréquence, les impédances de source et de charge à l'impédance que présenteraient les couples de transducteurs avec leurs réseaux externes associés. A noter qu'il est toutefois possible d'accepter une dégradation du point de vue des pertes d'insertion pour agir sur la largeur de la bande. L'exemple de réalisation qui vient d'être décrit s'applique à un filtre comportant deux voies V1 et V2 en parallèle. L'invention s'applique néanmoins tout aussi bien pour un nombre N de voies supérieur à deux, comme schématisé (pour un seul côté) sur la figure 7. La différence de trajet direct entre les deux voies consécutives est alors, dans un tel cas, égale à > /N, à bien entendu un nombre entier de longueurs d'onde après, de sorte que la résultante vectorielle de tous les trajets directs des voies V1 à VN est nulle. Avec la disposition symétrique, semblable à celle selon Figures 2 et plus précisément 5, adoptée pour la figure 7, les distances entre transducteur d'entrée 2 et réflecteur central 8 sont de X pour la voie V1 X+ #/2 pour la voie V2 X+ i(\(pour la voie V3 X+(N-2). #\2N pour la voie VN-1 et X+(N-1).\ pour la voie VN. La fonction de transfert du filtre est égale à la somme de toutes les contributions. Dans le cas de N voies symètriques (notées de 1 à N) et décalées de 2n - (N+1) (kN+1) , elle est de la forme: 2N où R est le coefficient de réflexion des réseaux, t la phase correspondant à la distance inter-transducteurs moyenne et Teal et Tea2 les fonctions de transfert électro-acoustiques de l'ensemble constitué des transducteurs d'entrée et de sortie et des réseaux réfléchissants arrière. Par le jeu des différences de phase entre voies, les fonctions de filtrage Fn sont toutes nulles à la fréquence centrale à l'exception de FN. On voit ainsi comment l'ensemble des réflecteurs participe directement à la fonction de transfert. Près de la fréquence centrale du filtre, la fonction de transfert du filtre est de la forme - pour N pair : RN-1 sin (N g) N-i - pour N impair: RN 1 cos (N ) Pour la rejection hors bande, N pair est préférable pour bénéficier d'un surcroît de réjection dû à la réponse du réflecteur central, car # tend vers 0 hors de la bande passante. La valeur optimale du coefficient de réflexion du réflecteur central à la fréquence de la bande passante est Ire r = sin (lt-/2N) pour N pair. Lorsque N est impair D =0 est une première solution. Cette solution correspond à l'absence de réflecteur central. L'autre solution optimale est Ire r = sin (1T/N). On peut néanmoins s' écarter de ces solutions dans le but de jouer sur la forme et la largeur de la bande passante. Près de la fréquence centrale fo du filtre, la fonction de transfert du filtre est de la forme: RN l.sin(N t ) (pour N pair). La seule contribution non nulle à la fréquence centrale est le dernier terme lié au Nième trajet (c'est le principe de la structure). Les fonctions de filtrage Fn traduisent la mise en parallèle des N voies. Elles sont toutes, sauf FN, nulles à la fréquence centrale mais présentent une bande finie, d'autant plus faible que (kN+1) est grand. Le cas le plus favorable est donc obtenu pour k = O. Etant donné que tend vers 0 en dehors de la bande passante, les contributions génantes par l'intermédiaire de cet effet sont celles des trajets d'ordre impair (donnant lieu à des cosinus) et plus particulièrement le trajet direct qui n' est pas du tout filtré par des réflecteurs arrière. Pour fixer les idées, la réjection du fonctionnement en direct est, pour le cas particulier N=2 (2 voies) et dans le cas le plus favorable k = 0 - totale pour f = fo - 36 dB pour f = (1+ 1%) fo - 22 dB pour f = (1+ 5 %) fo - 10 dB pour f = (1t20 %) fo Afin de remédier à cet inconvénient, et donc d'améliorer encore la réjection en trajet direct, une variante de la présente invention consiste à mettre en parallèle deux structures à voies multiples selon Figure 2, et plus généralement selon Figure 7, ces structures étant du même type, mais les décalages des trajets directs variant en sens inverses d'une structure à l'autre par rapport à l'axe longitudinal Y de symétrie de l'ensemble et au fur et à mesure que l'on s'éloigne de ce dernier, bien que les décalages relatifs entre voies soient égaux en valeurs absolues pour chacune de ces deux structures. En d'autres termes, cette variante revient à réaliser un filtre en utilisant deux structures précédentes, chacune à N voies, de manière à apporter une réjection supplémentaire sur tous les trajets d'ordre impair, tout en n'affectant nullement les autres trajets. Pour celà il est nécessaire que les distances intertransducteurs des N voies des deux structures suivent les progressions arithmétiques suivantes, permettant d'apporter un déphasage entre structures égal à un multiple pair de pour les trajets d'ordre pair et égal à un multiple impair de pour les trajets d'ordre impair (dont le trajet direct): La nouvelle forme de la fonction de transfert est alors approximativement la suivante forme sur laquelle on constate effectivement le filtrage supplémentaire opéré sur les trajets d'ordre impair par l'intermédiaire du dernier terme en cosinus. En reprenant le cas précédent (N=2 et k=O), on trouve aisément que la réjection du trajet direct exprimé en dB est doublée - totale pour f = fo - 72 dB pour f = (1+ 1 %) fo - 44 dB pour f = (1+5 5 %) fo - 20 dB pour f = (1 f 20 %) fo Un exemple simple de réalisation appliqué à ce dernier cas est représenté en Figure 8. I1 s'agit en l'espèce d'un filtre réalisant la mise en parallèle de deux structures S1,S2 toutes deux semblables à la structure selon Figure 2, mais où les distances intertransducteurs sont X- /2 et X pour la structure S1; et X et X+2 pour la structure S2, ce qui donne une différence de > /2 pour tous les trajets directs de même rang. De même que pour les voies elles-mêmes, il est bien évident que tous les types de connexions électriques entre les deux structures S1 et S2 sont enviseagables et, à ce sujet, les figures 9 et 10 montrent respectivement quatre types de connexions possibles : série-série, parallèle-parallèle, parallèle-série, et montage différentiel. Comme il va de soi, l'invention n'est nullement limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits. C'est ainsi qu'avantageusement chaque ensemble "transducteur-réflecteur externe" peut être remplacé par un dispositif totalement ou partiellement unidirectionnel intégré dit "D.A.R.T" ("Distributed Acoustic Reflexion Transducer", ou "Transducteur à Réflexion Acoustique Distribuée"), par exemple selon le document FR-A2.653.632 de la Demanderesse. L'invention peut également être étendue, en remplaçant l'ensemble "transducteurréflecteur externe" par tout dispositif directif (totalement ou partiellement unidirectionnel) tel que transducteur "3 phases" ou à groupe, transducteur bidirectionnel placé à l'intérieur d'un coupleur multitrait 3 dB replié, etc... REVENDICATIONS 1 - Filtre à ondes acoustiques de surface et à cavités résonnantes longitudinales (6181; 8 62, 8; 82,72), caractérisé en ce qu'il est composé d'un nombre entier N, au moins égal à 2, de voies parallèles de filtrage (V1,V2,...) comportant chacune un transducteur d'entrée (21,22,...) et un transducteur de sortie (41'42'" définissant entre eux deux un trajet direct, et au moins deux réseaux réfléchissants (61,8l,7l; 62,82,72;; ...) définissant pour cette voie au moins une cavité résonnante longitudinale, les amplitudes de transmission étant, au moins pour ces trajets directs, pratiquement les mêmes pour ces N voies et la différence de longueur de propagation en trajet direct étant, pour deux voies consécutives (V1,V2), sensiblement égale, à un nombre entier de longueurs d'onde ( A ) à la fréquence centrale de filtrage (fo) près, au Nième de cette longueur d'onde (t ), de sorte que finalement, pour cette fréquence centrale (fo), la résultante vectorielle des signaux de ces N voies qui correspondent aux trajets directs est pratiquement nulle et qu'en conséquence il y a pratiquement annulation de la fonction de transfert en ligne à retard en dehors de la bande d'arrêt du filtre. 2 - Filtre à ondes de surface selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est placé sur un substrat unique (1), et en ce qu'une rainure longitudinale (9) est creusée dans ce substrat entre chacune desdites voies (V1,V2...) afin de les isoler l'une de l'autre pour les ondes acoustiques de surface. 3 - Filtre à ondes de surface selon la revendication i, caractérisé en ce qu'il est placé sur un substrat unique (1) et en ce qu'une couche longitudinale (10) en matériau absorbant pour les ondes acoustiques de surface est déposée entre chacune desdites voies (V1,V2,...). 4 - Filtre à ondes de surface selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chacune de ces voies (V1,V2,...) est symétrique par rapport à la ligne médiane (L) de l'espace inter-transducteurs. 5 - Filtre à ondes de surface selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chacune de ces voies comporte un réflecteur central (8) et deux réflecteurs externes (6,7). 6 - Filtre à ondes de surface selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte un nombre impair de voies et en ce que chacune de ces voies est dépourvue de réflecteur central (8) mais pourvue de réflecteurs externes (6,7), l'angle ( t ) du module du coefficient de reflexion (r) du reflecteur central étant donc choisi nul. 7 - Filtre à ondes de surface selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, afin d'assurer une réjection supplémentaire en trajet direct pour les fréquences qui, dans la bande d'arrêt, s'écartent de ladite fréquence centrale (fo), il est constitué par la mise en parallèle de deux de ces structures multivoies (S1,S2) précitées, ces structures étant du même type, mais les décalages des trajets directs (X- /2, X+ss/2) variant en sens inverses d'une structure (S1) à l'autre (S2) par rapport à l'axe longitudinal de symétrie (Y) de l'ensemble et au fur et à mesure que l'on s'éloigne de ce dernier. 8 - Filtre à ondes de surface selon la revendication 5, caractérisé en ce que les modules du coefficient de réflexion (r) et de transmission (t) du réflecteur central (8) sont tous deux sensiblement égaux à 1/ F2. 9 - Filtre à ondes de surface selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il est placé sur un substrat unique (1) et en ce que lesdites voies (Vi,V2,...) sont décalées longitudinalement l'une par rapport à l'autre de façon à annuler, par mise en opposition de phase, les couplages entre ces voies.