Brevet FR2714217A1 — publié le 19950623

La présente invention concerne les filtres hyperfréquence à résonateurs couplés accordés par des capacités vaiiables, à structure triplaque et à agilité de fréquence utilisables notamment dans des synthétiseurs de fréquence pour remplacer des bancs de filtres commutés. Les filtres hyperfréquence à résonateurs couplés sont connus depuis longtemps. A l'origine, ils se composent d'une rangée de barreaux conducteurs enfermés dans un boîtier métallique, mis à la masse d'un seul côté, le même dans une structure en peigne ou alternativement d'un côté puis de l'autre dans une structure interdigitée, et, de part et d'autre de la rangée de barreaux, d'une électrode d'excitation sur laquelle est injecté le signal d'entrée du filtre et d'une électrode de prélèvement délivrant le signal de sortie du filtre. II était d'usage, en raison des difficultés de synthèse de ces filtres dues au manque de modèle mathématique et aux imprécisions de réalisation, d'équiper les extrémités libres des barreaux de condensateurs réglables les reliant à la masse du boîtier ce qui permettait de faire varier les fréquences d'accord des barreaux pour ajuster la forme de la courbe de réponse. Avec l'apparition de la technologie triplaque, également connue sous la dénomination stripline, la réalisation des filtres hyperfréquence à résonateurs couplés s'est simplifiée tout en devenant plus précise. Les barreaux sont devenus des pistes conductrices tracées dans un plan intercalaire séparant deux plaques de diélectrique dont les parois extérieures sont métallisées pour constituer des plans de masse. Un exemple en est donné dans le brevet américain US-A4,418,324. Outre la simplification de réalisation et l'amélioration de précision, la technologie triplaque permet une réduction importante de l'encombrement d'un filtre grâce à une réduction notable de son épaisseur. Avec les progrès des techniques de synthèse des filtres hyperfréquence et de la précision de réalisation due à l'emploi d'une technique photolitographique il est apparu des modèles mathématiques fiables permettant de déduire les dimensions des éléments d'un filtre triplaque d'un gabarit imposé sur la réponse en fréquence et rendant facultatives les capacités de réglage. Pour certaines applications, les capacités de réglage conservent cependant de l'intérêt. Elles permettent notamment, de diminuer encore l'encombrement du filtre en réduisant la longueur des éléments de lignes résonantes à une valeur nettement inférieure au quart de la longueur d'onde correspondant à la fréquence centrale de fonctionnement du filtre. C'est pourquoi certains filtres hyperfréquence en technologie triplaque conservent des condensateurs de réglage. II est alors d'usage, comme le montre la demande de brevet français FR-A-2 613 557, à sa figure 9, d'utiliser des condensateurs ajustables à réglage mécanique de type composant à montage de surface montés à l'extérieur de la structure triplaque et raccordés aux éléments de lignes résonantes au moyen de trous métallisés isolés des plans de masse. Pour obtenir des filtres hyperfréquence agiles en fréquence, on peut songer à remplacer les condensateurs ajustables à réglage mécanique par leur équivalent électronique c'est-àdire par des couples de diodes à capacité variable montées en série et en opposition. Mais on se heurte alors à différents problèmes qui nuisent à la viabilité de cette solution. Tout d'abord, le coefficient de qualité des couples de diodes à capacité variable jouant le rôle des capacités ajustables est faible devant celui des éléments de lignes résonantes couplées et des condensateurs ajustables à réglage mécanique. Cela entraîne pour le filtre des pertes en bande passante qui d'une part sont bien plus importantes qu'avec des condensateurs ajustables à réglage mécanique et qui d'autre part varient de manière importante dans la bande d'agilité ce qui est très préjudiciable si l'on tient compte du fait qu'un filtre agile en fréquence est destiné à remplacer une batterie de filtres commutés dont les pertes en bande passante ont été égalisées. En outre, il faut un réglage individuel des capacités ajustables du filtre qui ne peut être obtenu, avec des couples de diodes à capacité variable, qu'au moyen de tensions de polarisation individuelles. Cela nécessite, pour un filtre hyperfréquence à N pôles, c'est-à-dire à N éléments couplés de lignes résonantes, N tensions de polarisations distinctes. En pratique, cette contrainte réduit à trois ou quatre au plus le nombre de pôles envisageable et ne permet pas d'obtenir un gabarit de filtrage avec une forte réjection hors bande. De plus ces tensions de polarisation distinctes doivent être fournies par un circuit de commande très lourd à mettre en oeuvre puisqu'il devra comporter dans une réalisation numérique: - N mémoires mortes programmables mémorisant pour chacun des N couples de diodes à capacité variable des valeurs numériques correspondant aux diverses valeurs de tension de polarisation adoptées pour les différentes valeurs possibles de la fréquence centrale de fonctionnement du filtre, - N convertisseurs numérique-analogique connectés en sortie des mémoires mortes programmables, - N amplificateurs tampon rapides pour amplifier les tensions délivrées par les convertisseurs numérique-analogique. Ce nombre important de tensions de commande exclut de compenser le gabarit du filtre en température car cela nécessiterait d'augmenter encore la complexité du circuit de commande. La présente invention a pour but de résoudre ces problèmes afin de permettre l'obtention d'un filtre hyperfréquence agile en fréquence, de technologie triplaque, de faible encombrement, facile à commander, remplaçant avantageusement une batterie de filtres hyperfréquences commutés. Elle a pour objet un filtre hyperfréquence à résonateurs couplés accordés par des capacités variables, à structure triplaque et à agilité de fréquence dans lequel les résonateurs sont des éléments de ligne disposés dans un plan intercalaire séparant deux plaques de diélectriques dont les parois extérieures sont métallisées pour constituer des plans de masse d'une structure triplaque, couplés par proximité et mis à la masse directement en un premier point et par l'intermédiaire de capacités ajustables en un deuxième point. Ce filtre hyperfréquence est remarquable en ce que les capacités ajustables sont constituées chacune de la mise en série d'une diode à capacité variable et d'un condensateur ajustable à réglage mécanique avec un point milieu relié par l'intermédiaire d'un circuit de blocage des hyperfréquences à une borne de connexion destinée à recevoir la tension continue de polarisation de la diode à capacité variable. Selon un mode préféré de réalisation la diode à capacité variable et le condensateur ajustable à réglage mécanique constituant la capacité ajustable chargeant un élément de ligne couplée sont disposés au niveau du plan intercalaire dans une alvéole creusée dans l'une des plaques de diélectrique dans le prolongement de l'élément de ligne couplée considérée auquel ils sont raccordés par un élément de ligne microruban tracé sur le plan intercalaire dans leur alvéole de logement. Avantageusement, le circuit de blocage des hyperfréquences est constitué d'une cellule en L avec en tête une impédance série formée d'une self de choc ou d'une ligne quart d'onde suivie d'une impédance parallèle formée d'un condensateur de découplage disposées l'une et l'autre au niveau du plan intercalaire, ledit condensateur de découplage étant un composant à montage de surface, placé dans l'alvéole de logement de la diode à capacité variable et du condensateur ajustable à réglage mécanique connectés au circuit considéré de blocage hyperfréquence. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description ci-après de deux modes de réalisation donnés à titre d'exemple. Cette description sera faite en regard du dessin dans lequel: - une figure 1 est un schéma électrique d'un filtre hyperfréquence à agilité de fréquence selon l'invention; - une figure 2 représente un filtre hyperfréquence à agilité de fréquence selon l'invention, vu de dessus; - une figure 3 est une vue en coupe du filtre de la figure 2 selon la ligne 111111'; - une figure 4 est une vue en coupe d'une variante du filtre de la figure 2; et - une figure 5 montre le schéma équivalent d'un résonateur adopté pour la synthèse d'un filtre selon l'invention. La figure 1 montre le schéma électrique du filtre hyperfréquence à agilité de fréquence proposé. Au centre de celle-ci, est représentée, de manière schématique, une rangée de six éléments de ligne résonante couplés par proximité 1 à 6 constituant le coeur du filtre. Cette rangée est placée entre une électrode d'excitation 7 raccordée à l'entrée E du filtre et une électrode de prélèvement 8 raccordée à la sortie S du filtre. Les éléments de ligne résonante 1 à 6 et les électrodes d'excitation et de prélèvement 7, 8, de forme droite sont disposées selon une structure interdigitée avec, alternativement, une extrémité puis l'autre directement mise à la masse. Les extrémités des éléments de ligne résonante 1 à 6 non directement mises à la masse sont chargées par des capacités ajustables les reliant à la masse afin de permettre de faire varier leurs fréquences de résonance pour déplacer la réponse du filtre en fréquence. Ces capacités ajustables sont constituées chacune d'un montage série d'une diode à capacité variable 11 à 16 avec un condensateur ajustable à réglage mécanique 21 à 26 dont le point milieu est raccordé, par l'intermédiaire d'un circuit de blocage des hyperfréquences constitué d'une cellule en L avec en tête une impédance série formée d'une self de choc 31 à 36 ou d'une ligne quart d'onde suivie d'une impédance parallèle formée d'un condensateur de découplage 41 à 46, à une borne commune de commande C sur laquelle est appliquée une tension variable de polarisation ve permettant de faire varier les capacités des diodes à capacité variable Il à 16. La réalisation des capacités ajustables chargeant les éléments de ligne résonante au moyen d'un montage en série mixte d'une diode à capacité variable et d'un condensateur ajustable à réglage mécanique apporte de nombreux avantages. Tout d'abord, le fait de remplacer l'une des diodes à capacité variable d'un montage en série et en opposition de deux diodes à capacité variable par un condensateur ajustable à réglage mécanique permet d'obtenir pour la capacité ajustable résultante un bien meilleur coefficient de qualité puisque le coefficient de qualité d'un condensateur ajustable à réglage mécanique est très supérieur à celui d'une diode à capacité variable. II en résulte un affaiblissement moindre du filtre en bande passante variant moins dans la bande d'agilité. La présence des condensateurs ajustables à réglage mécanique 21 à 26 permet de contrôler toutes les diodes à capacité variable 11 à 16 à l'aide d'une seule tension continue de polarisation tout en conservant la possibilité d'un réglage initial individuel des capacités ajustables chargeant les éléments de ligne résonante, réglage qui est indispensable en raison de la dispersion des caractéristiques des diodes à capacité variable. La commande commune des diodes à capacité variable élimine toute contrainte sur le nombre de pôles du filtre (nombre d'éléments résonants) qui ,peut être important, par exemple 8 comme représenté, les électrodes d'excitation et de prélèvement 7 et 8 constituant également dans ce cas des éléments résonants. Elle permet aussi d'envisager un circuit de commande du filtre simple avec, dans une réalisation numérique, une seule mémoire morte programmable renfermant les valeurs numériques correspondant aux diverses tensions de polarisation adoptées pour les différentes valeurs possibles de fréquence centrale du filtre, un seul convertisseur numérique-analogique connecté à la sortie lecture de données de la mémoire morte programmable et un seul amplificateur tampon placé en sortie du convertisseur numérique-analogique. II en résulte, pour la carte de commande du filtre, un gain de place et un coût plus faible. La commande commune de polarisation des diodes à capacité variable permet également d'envisager une compensation en température puisqu'il suffit de lui ajouter une seule tension continue correctrice grâce par exemple, à un sommateur intercalé dans le circuit de commande entre l'amplificateur tampon et le convertisseur numérique-analogique. Cette compensation en température est d'un grand intérêt car elle permet de mieux contrôler la position des fréquences de coupure du filtre et par conséquent l'élimination des raies d'intermodes indésirables dans une synthèse de fréquence. La figure 2 est une vue de dessus d'un mode de réalisation possible, en structure tri plaque, d'un filtre hyperfréquence répondant au schéma électrique de la figure 1. Ce filtre se compose de deux plaques en matériau diélectrique tel que du verre téflon de constante diélectrique relative er égale à 2,55 intimement collées l'une à l'autre de manière à éliminer toute lame d'air. L'une des plaques, par exemple celle de dessous non visible sur la figure 2, présente, sur sa face en regard de l'autre plaque, des métallisations dont les contours sont rappelés en pointillés et qui dessinent, dans un plan intercalaire, une rangée d'éléments de ligne résonante 50 à 56 couplés par proximité, des électrodes d'excitation et de prélèvement 57, 58 et diverses lignes de connexion. Les deux plaques, dont la plaque supérieure 60, ont leur paroi extérieure métallisée pour former les plans de masse d'une structure triplaque. Les électrodes d'excitation et de prélèvement 57, 58 sont constituées chacune d'un élément de ligne couplé par proximité aux éléments de ligne résonante 50 à 56 et prolongé par une branche coudée aboutissant à une plage métallisée 62, 63 qui est accessible de l'extérieur du filtre par une encoche 64, 65 creusée dans le côté de la plaque supérieure de diélectrique 60 et qui constitue une borne d'entrée ou de sortie du filtre. Les éléments de ligne 50 à 58 couplés par proximité sont ici de forme droite et disposés selon une structure interdigitée avec alternativement une extrémité puis l'autre directement mise à la masse au moyen de trous métallisés 70 à 74, en contact avec les plans supérieur et inférieur de masse. Les extrémités non directement mises à la masse des éléments de ligne résonante 50 à 56 aboutissent dans des alvéoles 75 à 81 de forme allongée creusées dans la plaque supérieure de diélectrique 60. Là, elles sont prolongées par un élément de ligne microruban 82 à 86 raccordée à une diode à capacité variable 87 à 91 montée dans le plan intercalaire en série avec l'une des armatures d'un condensateur ajustable à réglage mécanique 92 à 96 qui est logé dans un trou percé au fond de l'alvéole et dont l'autre armature est raccordée au plan inférieur de masse. Les alvéoles 75 à 81 de forme allongée se prolongent au delà du condensateur tubulaire 92 à 96 en direction des côtés de la plaque supérieure de diélectrique 60 pour loger un condensateur de découplage 97 à 101 de type composant à montage de surface disposé, comme la diode à capacité variable 87 à 91, au niveau du plan intercalaire. L'une des armatures de ce condensateur de découplage 97 à 101 est mise à la masse par l'intermédiaire d'un trou métallisé 102 à 106 percé dans le fond de l'alvéole au travers de la plaque inférieure de diélectrique et raccordé au plan inférieur de masse tandis que l'autre armature est soudée à une plage métallisée reliée d'une part, par une piste conductrice 107, 108 et un trou métallisé isolé des plans inférieur et supérieur de masse, à une borne de connexion 109,110 accessible de la face supérieure du filtre et, d'autre part, par une ligne quart d'onde 111 à 115 au point de connexion d'une diode à capacité variable 87 à 91 et des condensateurs tubulaires 92 à 96. Ce condensateur de découplage 97 à 101 constitue, avec la ligne quart d'onde 111 à 115 qui lui est raccordée un circuit de blocage des hyperfréquences permettant l'application d'une tension continue de réglage aux diodes à capacité variable sans perte hyperfréquence. La figure 3 détaille la structure transversale du filtre de la figure 2 au niveau de son élément résonant médian. On y distingue dans le plan intercalaire séparant les deux plaques de diélectrique 60, 61 la métallisation 53 dessinant l'élément résonant constituant une ligne triplaque avec les métallisations 120, 121 des faces extérieures des plaques 60, 61. Cette ligne triplaque est mise à la masse par une extrémité au moyen du trou métallisé 72 qui la réunit aux métallisations 120, 121 des plans inférieur et supérieur de masse. Son autre extrémité débouche dans l'alvéole 78 creusée dans la plaque supérieure de diélectrique 60 pour le logement de la diode à capacité variable 89, du condensateur ajustable à réglage mécanique de forme tubulaire 94 et du condensateur de découplage de type CMS 99. Elle se prolonge, dans cette alvéole 78, jusqu'à la diode à capacité variable 89, par une ligne microruban 84 dont le plan de masse est constitué par la métallisation 121 de la paroi extérieure de la plaque inférieure de diélectrique 61. Le condensateur réglable tubulaire 94 est disposé dans un trou percé au fond de l'alvéole 78 dans la plaque inférieure de diélectrique 61, I'une de ses armatures étant raccordée au niveau du plan intercalaire à la diode à capacité variable 89 grâce à une plage de connexion 122 constituant une deuxième portion de ligne microruban tandis que l'autre est raccordée au niveau de la paroi extérieure de la plaque inférieure de diélectrique 61 à la métallisation du plan de masse 121. Le condensateur de découplage 99, de type CMS, également disposé au niveau du plan intercalaire dans l'alvéole 78 a une armature mise à la masse par l'intermédiaire du trou métallisé 104 percé au fond de l'alvéole 78 dans la plaque inférieure de diélectrique 61 et raccordé à la métallisation de plan de masse 121 de la paroi extérieure de la plaque inférieure de diélectrique 61, son autre armature étant soudée à la plage métallisée 123 qui, comme cela apparaît sur la figure 2, est raccordée, par une ligne quart d'onde à la plage métallisée 122 et par une piste conductrice à une borne de connexion 109. La figure 4 détaille la structure transversale d'une variante de réalisation du filtre de la figure 2, toujours au niveau de son élément résonant médian, dans laquelle les condensateurs ajustables à réglage mécanique 94 de forme tubulaire ont été remplacés par des condensateurs ajustables à réglage mécanique 125 du type composant à montage de surface. Dans cette figure 4, les éléments invariants par rapport aux figures 2 et 3 ont conservé les mêmes indexations. Seul le condensateur ajustable a changé. De type CMS, il est maintenant placé à la surface du plan intercalaire avec une armature toujours raccordée à la diode à capacité variable 89 grâce à la plage de connexion 122 et l'autre armature mise à la masse en profitant du trou métallisé 104 de mise à la masse du condensateur de découplage 99. On remarque sur les figures 3 et 4 que les tranches des plaques de diélectrique 60 et 61 sont métallisées, sauf au voisinage des bornes d'entrée et de sortie (62, 63 figure 2) pour réunir les métallisations 120 et 121 des faces extérieures de ses plaques et parfaire le blindage du filtre. La synthèse des filtres des figures 2 à 4 s'effectue à partir du schéma équivalent d'un élément de ligne résonante représenté à la figure 5. Celui-ci se compose d'un élément de ligne triplaque 200 de longueur L2 et d'impédance Z2 mis à la masse par une extrémité A et prolongé à son autre extrémité B par un premier élément de ligne microruban 201 de longueur L1 et d'impédance Z1 chargé à son extrémité libre C par une diode capacité variable 202 elle-même reliée par un deuxième élément de ligne microruban 203 et un condensateur ajustable 204 à la masse. Ce schéma équivalent pour lequel il existe des modèles mathématiques fidèles est identique à la réalisation physique ce qui rend le modèle théorique de filtre obtenu par synthèse à partir d'un gabarit imposé à la forme de réponse en fréquence très proche de la réalité ce qui n'était pas le cas de l'art antérieur où la présence d'un trou métallisé pour relier un élément de ligne résonante à sa capacité de réglage faussait la modélisation. REVENDICATIONS 1. Filtre hyperfréquence à résonateurs couplés accordés par des capacités variables, à structure tri plaque et à agilité de fréquence dans lequel les résonateurs sont des éléments de ligne disposés dans un plan intercalaire séparant deux plaques de diélectriques (60, 61) dont les parois extérieures sont métallisées pour constituer les plans de masse d'une structure triplaque, couplés par proximité et mis à la masse directement en un premier point et par l'intermédiaire de capacités ajustables en un deuxième point, caractérisé en ce que lesdites capacités ajustables sont constituées chacune d'un montage en série d'une diode à capacité variable (87 à 91) et d'un condensateur ajustable à réglage mécanique (92 à 96) avec un point milieu relié par l'intermédiaire d'un circuit de blocage des hyperfréquences (97 à 101,111 à 115) à une borne de connexion (109,110) destinée à recevoir une tension continue pour la polarisation de ladite diode à capacité variable (87 à 91). 2. Filtre hyperfréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits circuits de blocage des hyperfréquences (97 à 101,111 à 115) relient plusieurs diodes à capacité variable (88 à 90) à une même borne de connexion (109). 3. Filtre hyperfréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun desdits circuits de blocage des hyperfréquences est constitué d'une cellule en L avec en tête une impédance série formée d'une ligne quart d'onde (111 à 115) suivie d'une impédance parallèle formée d'un condensateur de découplage (97 à 101). 4. Filtre hyperfréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que le montage en série d'une diode à capacité variable (87 à 91) et d'un condensateur ajustable à réglage mécanique (92 à 96) constituant les capacités ajustables chargeant les éléments de ligne des résonateurs sont disposés au niveau du plan intercalaire rendu localement accessible de l'extérieur du filtre par des alvéoles (75 à 81) creusées dans l'une au moins des plaques de diélectrique (60, 61), la diode à capacité variable (87 à 91) étant connectée au deuxième point d'un élément de ligne de résonateur par un élément de ligne microruban (82 à 86) tracé sur le plan intercalaire dans son alvéole de logement. 5. Filtre hyperfréquence selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits condensateurs ajustables à réglage mécanique (92 à 96) sont de forme tubulaire et disposés dans un trou percé au fond de leur alvéole de logement (75 à 81) avec une armature raccordée au niveau du plan intercalaire à une diode à capacité variable (87 à 91) et une armature raccordée à une métallisation de plan de masse (121) au niveau de la paroi extérieure de la plaque inférieure de diélectrique (61). 6. Filtre hyperfréquence selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits condensateurs ajustables à réglage mécanique sont des composants à montage de surface (125) raccordés par une armature à une diode à capacité variable (89) et par l'autre armature à un trou métallisé (104) percé dans le fond de l'alvéole de logement et en liaison avec la métallisation de plan de masse (121) de la paroi extérieure de la plaque inférieure de diélectrique (61). 7. Filtre hyperfréquence selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits circuits de blocage des hyperfréquences comportent des condensateurs de découplage (97 à 101) constitués de composants à montage de surface disposés au niveau du plan intercalaire dans les alvéoles de logement (75 à 81) des diodes à capacité variable (87 à 91) et des condensateurs ajustables à réglage mécanique (92 à 96), I'une des armatures de chacun de ces condensateurs de découplage (97 à 101) étant mise à la masse par l'intermédiaire d'un trou métallisé (104) percé dans le fond des alvéoles de logement (75 à 81) et en liaison avec la métallisation de plan de masse (121) de la paroi extérieure de la plaque inférieure de diélectrique (61).