Brevet FR2675638A1 — publié le 19921023

L'invention concerne un dispositif résonateur diélectrique pour des systèmes fonctionnant dans le domaine des fréquences UHF et de hyper-fréquences, du type comprenant un corps résonateur en un matériau diélectrique, de forme parallélépipédique, dans lequel est pratiqué au moins un évidement traversant entièrement le corps. Dans les dispositifs résonateurs diélectriques de ce type, qui sont connus, l'évidement est réalisé sous forme d'un alésage recouverte d'une couche métallique électriquement conductrice dont la paroi est entièrement métallisée. Ces dispositifs résonateurs connus présentent l'inconvénient majeur qu'ils nécessitent, pour des fonctions plus complexes qu'exigent les systèmes modernes, des dispositifs supplémentaires, ce qui est incompatible avec des circuits intégrés ayant un degré d'intégration élevé. La présente invention a pour but de proposer un dispositif résonateur diélectrique qui ne présente plus les inconvénients qui viennent d'être énoncés. Pour atteindre ce but, un résonateur diélectrique selon l'invention comprend un deuxième élément en forme d'une plaquette posée sur une face latérale du corps résonateur formant alors face de pose. Selon une caractéristique de l'invention, l'évidement est réalisé sous forme d'une fente s'ouvrant dans la face de pose et dont la zone de fond et au moins une partie des parois latérales ajacentes sont recouvertes d'une couche métallique électriquement conductrice. Selon une autre caractéristique de l'invention, le deuxième élément précité est formé par une plaquette métallique constituant un plan de masse. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, l'élément précité en forme d'une plaquette est réalisé en un matériau diélectrique pouvant avoir une permittivité différente de celle du corps résonateur, le cas échéant, une permittivité plus faible. Selon une autre caractéristique de l'invention le corps diélectrique comprend plusieurs évidements qui s'étendent parallèlement dans un même plan parralèle à la surface de pose et que la plaquette recouvre entièrement cette surface, pour former un dispositif de filtre dans lequel chaque évidement constitue la cavité d'un résonateur élémentaire. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparatront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention, et dans lesquels - les figures 1 à 4 montrent un premier mode de réalisation d'un dispositif résonateur diélectrique selon l'invention ; - les figures 5 à 8 montrent quatre variantes d'un dernier mode de réalisation d'un dispositif résonateur diélectrique selon l'invention ;; - les figures 9 à 11 illustrent plusieurs modes de réalisation d'un dispositif diélectique, constituant des filtres formés par une pluralité de résonateurs diélectriques élémentaires selon certaines figures précédentes - les figures 12a, b à 14, a, b montrent trois dispositifs diélectriques formant des filtres pourvus de circuits spécifiques montrés chaque fois en a et la courbe caractéristique de chaque filtre, donnée en b - les figures 15 à 27 illustrent plusieurs modes de réalisation de dispositifs diélectriques formant des filtres, qui se distinguent par les moyens de couplage. Comme le montre schématiquement la figure 1, un résonateur diélectrique élémentaire de l'invention est constitué de deux parties, à savoir un corps céramique parallélépipédique 1 ayant une permittivité gret une plaquette 2. Dans ce corps 1 est pratiqué une fente 3 de section transversale rectangulaire qui s'étend symétriquement par rapport au plan médian vertical longitudinal du corps et à partir de la surface inférieure jusqu'à une profondeur prédéterminée. La fente 3 est métallisée à partir de son fond jusqu'à une certaine hauteur. Cette métallisation porte la référence 4. Les surfaces externes latérales longitudinales 5 sont recouvertes d'une couche métallique électriquement conductrice. Le bloc 1 repose par sa surface inférieure dans laquelle débouche la fente 3 sur la plaquette 2. Dans un premier mode de réalisation, la plaquette est métallique et est utilisée comme plan de masse et reliée directement au bottier du dispositif qu'utilise le résonateur. Cette plaquette 3 permet une dissipation accélérée de la chaleur engendrée par le fonctionnement du résonateur. Ce dernier peut avoir une longueur de 1/4 ou 1/2g,g g étant la longueur d'onde. Pour le premier cas, une face frontale 7 est court-circuitée, c'est-à-dire métallisée, tandis que l'autre surface constitue un circuit ouvert, c'est-à-dire elle n'est métallisée. Pour le second cas, les deux faces frontales 7 du résonateur sont soit court-circuitées, c'est-à-dire métallisées, soit non métallisées et constituent ainsi des circuits ouverts. Les dimensions du résonateur tel que du corps céramique, de la fente etc...sont choisies en fonction de l'impédance caractéristique et du facteur de qualité à vide désirés. Dans la version de réalisation selon la figure 2, une partie d'une surface frontale 7, à savoir la partie 4 hachurée 8 autour de l'ouverture dans la face 7 de la fente 3 est métallisée. Cette partie métallisée 8 augmente la capacité du résonateur et équivaut à un rallongement du corps résonateur, ce qui entrante une diminution de la longueur du résonateur pour une fréquence de résonance donnée. Cette métallisation peut être réalisée aussi sur l'autre face frontale. La fente peut avoir d'autres formes géométrique que celle représentée aux figures 1 et 2. Elle peut avoir un fond à profil semi-circulaire comme sur la figure 3 et la partie de la face frontale autour de la fente peut aussi être métallisée, comme le montre la figure 4. Les figures 5 à 8 montrent quatre variantes d'un deuxième mode de réalisation d'un dispositif diélectrique selon l'invention. Ces quatre variantes ont en commun que la plaquette 3 qui, au lieu d'étre en métal comme aux figures 1 à 4, est maintenant formée par un substrat 10 ayant une épaisseur prédéterminée et une constante diélectrique gs qui est généralement différent de la constante diélectrique du corps céramique 1 et pourrait avoir une valeur plus faible. Ainsi le subtrat pourrait être un matériau couramment utilisé par des circuits intégrés, c'est-à-dire moins cher que le corps 1. Il est à noter que la surface inférieure 11 du substrat est métallisée tandis que les petites surfaces latérales 12 ne portent pas de métallisation.Les trois surfaces latérales longitudinales 5 du corps sont métallisées, la face inférieure constituant la face de pose pourrait être exempte de métallisation. Comme pour le premier mode de réalisation, l'évidement du dispositif résonateur peut avoir des formes différentes. L'évidement pourrait être une fente 3 de section transversale rectangulaire (figure 5), une fente 3 pourvue d'un fond semi-circulaire (figure 6) ou être réalisé par un alésage circulaire 13 qui communique avec la face de pose par une fente plus étroite de section transversale rectangulaire 14 (figure 8). Dans les deux premiers cas, la surface interne de la fente est partiellement métallisée en 4, jusqu'à une certaine hauteur, à partir du fond. Dans le cas de la figure 8, toute la surface de l'alésage 13 est métallisée et seulement les faces de la fente 14 sont exemptes de métal. Cette version de réalisation présente l'avantage que la métallisation est plus facilement à réaliser et est plus précise. Comme auparavant, il est possible dans ces trois variantes de réalisation de métalliser aussi une partie 8 sur au moins une face frontale 3 tout autour de la partie métallisée de l'évidement. La variante selon la figure 7 se distingue des trois autres variantes par le fait que l'évidement est réalisé seulement sous forme d'un alésage longitudinal 16 pratiqué dans le corps 1. Dans l'exemple représenté l'alésage est circulaire mais pourrait avoir toute autre forme appropriée. Elle pourrait avoir par exemple une section transversale rectangulaire. Il est à noter que toute la surface interne de l'alésage 16 est métallisée. La partie rectangulaire 8 d'au moins une surface frontale 7 autour de l'alésage 16 pourrait être métallisé. Ces variantes de réalisation selon les figures 5 à 8 où le corps résonateur 1 repose sur un substrat diélectrique en forme d'une plaquette présente l'avantage que des circuits électriques indiqués en 18 pourraient être réalisés sur la face de pose du substrat, par exemple sous forme de lignes micro rubans. Ces circuits peuvent accomplir les fonctions de moyens de couplage du résonateur, permettre la réalisation d'un filtre actif et assurer un effet de réjection supplémentaire à une fréquence prédéterminée. Le substrat pourrait avoir une forme correspondant à la face de pose du corps résonateur où pourrait être réalisé sous forme d'une plaque de plus grande dimension ce qui permet de prévoir les circuits 18 également sur la partie de la surface de pose qui est restée libre (figure 8). Les figures 9 à 27 montrent plusieurs modes de réalisations de filtres diélectriques céramiques qui peuvent être construites en associant plusieurs résonateurs individuels décrits ci-avant. Il s'agit de filtres céramiques mono-bloc miniaturisés réalisés en utilisant des matériaux céramiques de faibles pertes et stables en température. Comme le montre les figures, chaque dispositif de filtre céramique comprend un corps céramique parallépipédique 20 de permittivité r, qui comprend plusieurs fentes, ou alésages ou combinaisons d'alésages ayant les configurations déjà décrites à propos des dispositifs résonateurs élémentaires représentés aux figures 1 à 8, à savoir des fentes 3 de section transversale rectangulaire, de fente à section rectangulaire à fond en demi cercle, d'un alésage 16 fermé circulaire ou de toute autre section transversale appropriée ou encore des alésages 13 communiquant avec l'extérieur par une fente de plus faible largeur 14 (figures 3 à 27). Tout les évidements s'étendent parallèlement les uns aux autres dans le corps mono-bloc 20. Les surfaces externes latérales libres 21 sont recouvertes d'une couche métallique électriquement conductrice (non représenté).Cette couche pourrait être réalisée en argent ou en cuivre ou par superposition de plusieurs couches élémentaires par exemple en argent, cuivre, nickel ou analogue. Une partie 4 des surfaces internes des évidements est métallisés, comme cela a déjà été décrite en rapport avec les dispositifs résonateurs élémentaires selon les figures 1 à 8. La surface frontale 22 d'une extrémité du bloc 20 est également métallisée. Le dispositif de filtre comprend aussi une plaquette 24 sur la surface supérieure 25 duquel repose le corps mono bloc 20 par sa face inférieure 26 formant face de pose. La plaquette 24 peut être une plaquette métallique formant alors un plan métallique ou un substrat en un matériau diélectrique pouvant avoir une permitivité r différente de celle du corps 20. La permitivité de la plaquette 24 pourrait être inférieure à celle du corps 20. I1 est à noter que toutes les versions de réalisation du corps 20, qui sont représentées aux figures 9 à 27 et diffèrent par la forme de l'évidement peuvent être posées sur un plan métallique ou un substrat 24. Les dimensions du corps céramique 20, le nombre des fentes et les dimensions de celles-ci ainsi que les espacements entre les évidements sont prédéterminés suivant le gabarit du filtre. Lorsque la plaquette 25 est formée par un substrat, la face inférieure 27 est métallisée tandis que les faces latérales 28 restent libres de toute métallisation. Lorsque la plaquette 24 est réalisée en un métal électriquement conducteur, comme par exemple à la figure 9, le couplage entre le générateur (non représenté) et le dispositif filtre ainsi que le couplage entre ce dernier et la charge (non représentée) peuvent être réalisés en utilisant les techniques classiques. Les moyens de couplage d'entrée et de sortie vers le filtre et la charge peuvent par exemple être formés par des condensateurs disposés au niveau de l'évidement d'entrée et de l'évidement de sortie et indiqués schématiquement entre 30 et 31. Lorsque la plaquette 24 est un substrat, la face de pose 25 de celui-ci peut porter des circuits de couplage et des circuits supplémentaires permettant aux filtres de réaliser des fonctions plus complexes. Ces circuits pourraient être des lignes simples tels qu'indiquées en 32 et 33 aux figures par exemple 9 à 11 et surtout 12b, pour réaliser le couplage entre le filtre et le générateur et la charge, ou être des circuits plus complexes pour réaliser des filtres elliptiques ou asymétriques comme dans les cas par exemple des figures 13a et 14a. Ces circuits peuvent encore être de nature à être associés à des éléments actifs tels que des diodes, des transistors à effet de champs ou des transistors bipolaires pour la réalisation de filtres actifs ayant des très faibles pertes d'insertion et/ou pour améliorer la sélectivité des filtres.Les circuits peuvent être de nature à être utilisés pour réaliser un filtre à temps de propagation de groupe corrigé. Les circuits peuvent être formés sur le substrat pour obtenir une atténuation supplémentaire à des fréquences prédéterminées telles que des fréquences harmoniques par exemple. Les circuits peuvent être réalisés en configuration de lignes micro rubans, de lignes triplaques ou d'autres types de lignes de transmission connues. A titre d'exemple, la figure 12a montre un filtre la plaquette de substrat 24 duquelle porte sur sa surface de pose 25 des éléments de circuits de couplage d'entrée 32 et de sortie 33 rectilignes qui pénètrent plus où moins profondément, selon le couplage souhaité, dans les évidements d'entrée et de sortie respectivement repérés 34 et 35 réalisés sous forme de fente 3 à fond semi-circulaire. La figure 12b montre la courbe caractéristique du filtre qui est du type de filtre passe-bande ayant la fréquence centrale Fo. Cette courbe caractéristique qui présente l'atténuation a en fonction de la fréquence f montre de part et d'autre de la bande passante une atténuation monotone. La figure 13a montre un filtre passe-bande dont le substrat porte en plus des éléments de circuits rectilignes 32, 33 de la figure 12a un motif de circuits 39 établissant un couplage selfique entre les premier et quatrième éléments résonateurs du dispositif filtre à quatre fentes et donc quatre éléments résonateurs, pour créer des zeros de transmission aux fréquences Fti et Ft2 de part et d'autre de la partie passante centrale, comme l'illustre la figure 13b. La configuration de circuits réalisée sur le substrat support 24 de la figure 13a à pour effet que le dispositif de filtre constitue un filtre elliptique. La figure 14a montre une configuration de circuit permettant d'obtenir un filtre asymétrique dont la courbe caractéristique est représentée à la figure 14b. La configuration de circuits comporte les éléments de circuits de couplage d'entrée et de sortie 32 et 33 et un motif 40 de circuits de couplage capacitif entre les premier et troisième fentes de résonateur élémentaires du bloc 20. Ce motif de circuits 40 comporte deux éléments ayant chacun une portion 41 parallèle à la fente et une portion 42 perpendiculaire à la portion 41 et s'étendant en direction de la portion 42 de l'autre élément. Ces deux portions 41 présentent au niveau de leurs extrémités libres une partie de couplage capacitif 43 où elle se chevauche. Ce couplage capacitif crée un zero de transmission à la fréquence Ft3 en dehors de la bande passante, en dessous de la fréquence Fo. Les figures 15 à 27 montrent différentes possibilités de réglage de couplage dans des dispositifs de filtres réalisés conformément à la présente invention. Ce réglage consiste à modifier les espacements inter-résonateur du filtre. Trois modes de réalisation de moyens de réglage de couplage sont représentés à titre d'exemple. Un premier mode de réglage de couplage est fondé sur l'utilisation d'encoches 45 qui s'étendent parallèlement aux évidements de résonateurs au milieu entre deux évidements ajacentes. Les encoches 45 peuvent être pratiquées soit dans la surface supérieure 46 du corps mono bloc 20 seulement, soit dans sa face de pose seulement, soit dans les deux en même temps. Les encoches peuvent avoir toutes formes appropriées et présenter par exemple une section transversale rectangulaire comme dans le cas des figures 15, 17 et 23 ou de forme triangulaire comme dans les cas des figures 16 et 24.Ces encoches peuvent être utilisées pour toutes les configurations d'évidement de résonance représentées, peu importe si l'évidement est réalisé sous forme d'une fente rectangulaire, à fond semi circulaire, ou sous forme d'un alésage fermé, ou communiquant avec l'extérieur par l'intermédiaire d'une fente plus étroite. Au lieu de s'étendre parallèlement aux évidements traversants de résonance, on pourrait aussi pratiquer une encoche de section transversale rectangulaire par exemple dans la surface supérieur 46 du corps monobloc du résonateur 20 qui s'étend perpendiculairement à l'axe des évidements. Une telle encoche est montrée aux figures 18 et 27 et porte la référence 47. Selon un deuxième mode de réalisation, les moyens de couplage sont formés par des trous 48 qui traversent le corps 20 parallèlement aux évidements de résonateur entre deux évidements voisins. Les trous de couplage peuvent avoir une section transversale rectangulaire. Leurs nombres et leurs dimensions dépendent du couplage qu'on souhaite obtenir. Ces trous peuvent être utilisés dans toutes les configurations de filtres, qu'elles comprennent un plan de masse ou un substrat 24. A titre d'exemple, de tels trous sont représentés aux filtres selon les figures 19, 20 et 26. Un autre mode de réalisation des moyens de couplage consiste à pratiquer des encoches en forme de fente traversantes 49 à partir d'une des faces frontales du corps 20 entre deux évidements de résonance voisins. La largeur et la profondeur des fentes de couplage 49 dépendent du couplage souhaité. Ces fentes sont utilisables dans toutes les configurations de filtre représentées, quelque soit la forme de l'évidement de résonance ou la nature de la plaquette 24 sur laquelle repose le corps diélectrique 20. Bien entendu des multiples modifications peuvent être apportées aux dispositifs résonateur diélectriques qui viennent d'être décrits en se référant aux figures. La forme des évidements de résonance et des moyens de réglage de couplage et des circuits de couplage peuvent être encore différents sans sortir du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif résonateur diélectrique pour des systèmes fonctionnant dans le domaine des fréquences UHF et de hyperfréquences, du type comprenant un corps résonateur en un matériau diélectrique de forme parallélépipédique, dans lequel est pratiqué au moins un évidement traversant entièrement le corps, caractérisé en qu'il comprend un deuxième élément (2,24) en forme d'une plaquette et en ce que le corps (1,20) est en application, par une de ses surfaces formant alors face de pose, sur la plaquette. 2. Dispositif résonateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le deuxième élément est réalisé sous forme d'une plaquette métallique (2,24) constituant un plan de masse. 3. Dispositif résonateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le deuxième élément précité en forme d'une plaquette (2,24) est réalisé en un matériau diélectrique pouvant avoir une permittivité différente de celle du corps résonateur (2,20), le cas échéant une permittivité plus faible. 4. Dispositif résonteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'évidement est réalisé sous forme d'une fente (3) s'ouvrant dans ladite surface de pose du corps diélectrique (1,20). 5. Dispositif résonateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la fente est réalisée sous forme d'une fente (3) à section transversale rectangulaire. 6. Dispositif résonateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la fente (3) est réalisée sous forme d'une fente à section transversale rectangulaire dont le fond présente un profil semi-circulaire. 7. Dispositif résonateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'évidement est formé par un alésage (13) s'ouvrant dans la face de pose par l'intermédiaire d'une fente (14) de plus faible largeur, avantageusement à section transversale rectangulaire. 8. Dispositif résonateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'alésage (13) présente une forme circulaire. 9. Dispositif résonateur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'évidement est réalisé sous forme d'un alésage fermé (16), avantageusement de forme circulaire. 10. Dispositif résonateur selon l'une des revendication précédentes, caractérisé en ce que la zone (8) autour de l'ouverture de la partie métallisée (4) d'un évidement (3,13,16) dont au moins une surface frontale (7) du corps résonteur (1,20) est métallisée. 11. Dispositif résonateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, pour former un résonateur d'une longueur 1/4 , une face g frontale (7) du corps résonateur (1,20) est métallisée et en contact électrique avec les surfaces longitudinales latérales (5) de ce corps, xi étant la longueur d'onde g guidée. 12. Dispositif résonateur selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que pour former un résonateur d'une longueur 1/2 ru, les deux surfaces g frontales (7) du corps résonateur sont soit dépourvues de métallisations, soit métallisées et ces métallisations sont reliées électriquement aux surfaces longitudinales latérales métallisées (5) dudit corps. 13. Dispositif résonateur selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que lorsque le deuxième élément est formé par une plaquette (24) diélectique, des circuits électriques (18,32,33,39,40), avantageusement en forme de rubans électriquement avantageusement en forme de rubans électriquement conducteurs sont réalisés sur la surface de pose du corps diélectrique (1,20) ou du substrat (2,24), ces circuits pouvant avoir des fonctions telles que des fonctions d'un moyen de couplage de résonateur, d'éléments d'un filtre actif ou d'éléments assurant une réjection supplémentaire à une fréquence prédéterminée. 14. Dispositif résonateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le corps diélectrique (20) comprend plusieurs évidements (4; 13,14; 16) qui s'étendent parallèlement dans un même plan parallèle à la surface de pose et que la plaquette (24) recouvre entièrement cette surface, pour former un dispositif de filtre dans lequel chaque évidement constitue la cavité d'un résonteur élémentaire. 15. Dispositif résonateur selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de réglage du couplage réalisés sous forme de moyens de modification des espacements inter-résonateurs. 16. Dispositif résonateur selon la revendication 15, caractérisé en ce que les moyens de réglage de couplage sont formés par des encoches (25) pratiquées dans l'une ou l'autre ou dans les deux surfaces parallèles au plan médian commun des évidements, du bloc de résonance, au milieu entre les axes des évidements, ces encoches (45) s'étendant parallèlement aux évidements. 17. Dispositif résonateur selon la revendication 16, caractérisé en ce que les encoches (45) ont une section transversale rectangulaire ou en forme d'un V s'ouvrant vers l'extérieur. 18. Dispositif résonateur selon la revendication 15, caractérisé en ce que les moyens de réglage de couplage sont formés par au moins une encoche (47) pratiquée dans la face supérieure parallèle à la face de pose du corps résonateur (20) et s'étendant perpendiculairement à l'axe des évidements. 19. Dispositif résonateur selon la revendication 15, caractérisé en ce que les moyens de réglage du couplage sont formés par des encoches (49) traversant le corps résonateur (20) perpendiculairement aux plans de pose et pratiquées à partir d'une surface frontale (7) jusqu'à une profondeur prédéterminée dans le sens axiale des évidements, au milieu entre deux évidements ajacents, les surfaces des encoches (49) étant, le cas échéant, au moins partiellement métallisées. 20. Dispositif résonateur selon l'une des revendications 14 à 20, caractérisé en ce que, lorsque la plaquette (24) est formée par un substrat diélectrique, la face de pose (25) de ce substrat porte des circuits de couplage du dispositif résonateur avec le générateur et la charge et entre les résonateurs élémentaires, ces circuits pouvant être réalisés de toute façon connu, avantageusement sous forme de rubans micro-ondes ou triplaques.