Brevet FR2720861A1 — publié le 19951208

Cette invention concerne un filtre à résonateurs diélectriques et, plus particulièrement, un filtre à résonateurs conçu avec un support thermiquement conducteur et électriquement isolant pour un résonateur, et comprenant une mise en place de vis d'adaptation derrière un résonateur pour prendre en charge une augmentation de l'intensité du champ électromagnétique et de la puissance. Un filtre à résonateurs diélectriques constitué par une série de résonateurs diélectriques logés dans des cavités métalliques, est utilisé dans des circonstances nécessitant des dimensions physiques et un poids réduits du filtre. Un tel cas se présente dans un système de télécommunications par satellite, dans lequel un tel filtre doit être embarqué sur le satellite, en tant qu'élément de circuit hyperfréquence. La taille réduite d'un tel filtre est possible parce que la longueur d'onde d'un signal électromagnétique à l'intérieur d'un résonateur diélectrique est sensiblement inférieure à la longueur d'onde du même signal électromagnétique dans le vide ou dans l'air. Le couplage de puissance électromagnétique entre des cavités contiguës peut être effectué au moyen d'iris à fente, comme le décrit le brevet des Etats-Unis 4 489 293, ce brevet de Fiedziuszko concernant la conception et l'adaptation d'un filtre à cavités multiples à charge diélectrique. I1 se pose un problème lors de la construction d'un tel filtre, en ce que les vis d'adaptation sont soutenues par les parois latérales des cavités, en des emplacements faisant face aux parois latérales des résonateurs et en ce qu'elles s'étendent radialement vers l'intérieur par rapport aux parois latérales des cavités, laissant un espace entre la pointe de chaque vis et son résonateur associé. Un tel espace peut comporter un arc électrique dans le cas d'une puissance hyperfréquence élevée et, par conséquent, il limite la quantité de puissance qui peut être admise par le filtre. En outre, les supports actuellement existants qui soutiennent les résonateurs à l'intérieur de leurs cavités respectives sont limités quant à leur capacité d'évacuation de chaleur à partir des résonateurs. Etant donné qu'une augmentation de la puissance hyperfréquence aboutit à une augmentation de la dissipation de chaleur à l'intérieur d'un résonateur, le résonateur peut devenir tellement chaud que cela altère ses caractéristiques hyperfréquence, avec pour résultat une dégradation de la réponse du filtre. Par conséquent, la conductivité thermique limitée des supports de résonateur présents agit également dans le sens d'une limitation de la tenue en puissance du filtre. Les problèmes ci-dessus mentionnés sont résolus et d'autres avantages sont assurés par un filtre à résonateur diélectrique, dans lequel on utilise un cylindre en matériau thermiquement conducteur et électriquement isolant en tant que support pour un résonateur à l'intérieur d'une cavité de filtre, selon une première particularité de l'invention. Le résonateur est conçu sous la forme d'un cylindre circulaire massif en matière diélectrique et il est placé à l'intérieur d'une cavité cylindrique circulaire métallique du filtre. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le matériau du support est le nitrure de bore. Le support est disposé de manière coaxiale par rapport au résonateur suivant un axe central de la cavité et il est monté en tandem avec le résonateur. La liaison physique entre le support et le résonateur est facilitée par la présence d'un filetage le long d'une surface interne du support et la présence d'un filetage extérieur sur la surface du résonateur et destiné à venir en prise avec le filetage du support. Le support est monté sur une paroi d'extrémité de la cavité pour ainsi compléter un chemin conducteur de chaleur pour évacuer la chaleur depuis le résonateur vers l'extérieur du filtre. Selon une deuxième particularité de l'invention, la structure cylindrique du support, qui maintient le résonateur, comporte des ouvertures par lesquelles peuvent être introduites des vis d'adaptation, pour ainsi mettre en place une vis d'adaptation derrière une surface d'extrémité du résonateur. La vis d'adaptation est soutenue par une paroi latérale de la cavité et elle s'étend radialement vers l'intérieur de la cavité, dans un plan qui est parallèle à la surface d'extrémité du résonateur et espacée de cette surface d'extrémité. L'écartement entre la vis d'adaptation et la surface d'extrémité du résonateur est suffisamment grand pour empêcher la formation d'arcs de décharge électrique, même dans le cas d'une puissance électromagnétique élevée. La structure du support autorise également l'installation d'un dispositif de couplage derrière le résonateur afin de faciliter le couplage de puissance électromagnétique vers l'intérieur et vers l'extérieur de la cavité. Dans un filtre multicavité, le couplage entre cavités est effectué, selon un mode de réalisation préféré de l'invention. au moyen d'un iris cruciforme. Si l'on désire augmenter le nombre de pôles dans la réponse du filtre en couplant des ondes à polarisation horizontale et des ondes à polarisation verticale, une ouverture du support permet l'introduction d'une vis de couplage de mode selon un angle de 45 degrés par rapport aux branches de l'iris. Il convient également de noter que, bien que la description de l'invention concerne un résonateur cylindrique circulaire, il doit être bien entendu que le principe de l'invention s'applique également à des résonateurs ayant d'autres formes, par exemple à un résonateur ayant une section transversale ellipsoïdale ou carrée. Les aspects ci-dessus mentionnés ainsi que d'autres particularités de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels la figure 1 montre une vue en perspective d'un filtre réalisé selon l'invention, une partie du filtre étant découpée afin de montrer des éléments intérieurs du filtre la figure 2 est une vue schématique en élévation latérale d'une cavité supérieure du filtre de la figure 1, montrant l'emplacement d'une vis d'adaptation et la figure 3 est une vue, similaire à celle de la figure 2, montrant une bague de montage pour la fixation d'un support de résonateur en contact thermique avec une paroi d'extrémité de la cavité supérieure. Des références identiques désignent des éléments identiques sur les différentes figures. En se référant aux figures 1 à 3, celles-ci montrent un filtre à résonateurs diélectriques 10 bimode, fonctionnant dans le mode hybride TE1 15 Le filtre 10 a deux cavités, à savoir une cavité supérieure 12 et une cavité inférieure 14 qui sont séparées par une cloison transversale 16 comportant un iris cruciforme 18 pour le couplage de la puissance électromagnétique entre les deux cavités 12 et 14. Il convient de noter que les termes supérieure et inférieure servent uniquement à faciliter la désignation des cavités et que le filtre 10 peut être placé selon une orientation désirée quelconque. Le filtre 10 comprend en outre une paroi latérale cylindrique circulaire 20 qui se termine par une paroi d'extrémité supérieure 22 et par une paroi d'extrémité inférieure 24. La cloison transversale 16 est fixée à la paroi latérale 20 au centre de la paroi latérale 20. La cavité supérieure 12 est délimitée par la paroi latérale 20, la paroi d'extrémité supérieure 22 et la cloison transversale 16. La cloison transversale 16 est fixée à la paroi latérale 20 au centre de la paroi latérale 20. La cavité inférieure 14 est délimitée par la paroi latérale 20, la paroi d'extrémité inférieure 24 et la cloison transversale 16. Cela donne à chacune des cavités 12 et 14 la forme d'un cylindre circulaire droit. Les parois des cavités sont faîtes à partir d'un matériau électriquement et thermiquement conducteur, un matériau adéquat étant un métal tel que l'aluminium, le laiton ou l'invar. Un résonateur diélectrique supérieur 26 est disposé dans la cavité supérieure 12 et il est centré selon un axe central 28 (montré à la figure 2) du filtre 10. Un résonateur diélectrique inférieur 30 est disposé dans la cavité inférieure 14 et il est centré selon l'axe central 28. Les résonateurs 26 et 30 sont fabriqués à partir d'une matière céramique hautement diélectrique, telle que le rutile, le tétratitanate de baryum ou le stannate de zirconium. Chacun des résonateurs 26 et 30 a une surface de base circulaire plate 32 et une surface latérale cylindrique 34. Chaque surface de base 32 est perpendiculaire à l'axe central 28. Selon une particularité de l'invention, le résonateur supérieur 26 est positionné dans la cavité supérieure 12 au moyen d'un support supérieur 36, et le résonateur inférieur 30 est positionné dans la cavité inférieure 14 au moyen d'un support inférieur 38. Chacun des supports 36 et 38 est fabriqué à partir d'un matériau électriquement isolant, thermiquement conducteur, à faible permittivité et à faibles pertes, tel que le nitrure de bore Les deux supports 36 et 38 ont la même forme, et chacun comprend une paroi cylindrique 40 avec un filetage intérieur en spirale 42 (montré à la figure 1 uniquement pour le support inférieur 38) et un ensemble d'ouvertures 44. Chacun des résonateurs 26 et 30 comprend un filetage en spirale 46 (montré à la figure 1 uniquement pour le résonateur inférieur 30), qui correspond au filetage 42 du support respectif, des supports 36 et 38. Les supports 36 et 38 sont aisément fixés, par les filetages 42 et 46, aux résonateurs correspondants, 26 et 30. Le support supérieur 36 est monté sur la paroi d'extrémité supérieure 22 et maintenu en contact thermique avec elle au moyen d'un anneau 48 (montré à la figure 3) qui entoure étroitement le support supérieur 36 et qui est fixé au filtre 10 au moyen d'une rainure circonférentielle 50 dans la paroi latérale 20. Un anneau 48 similai re (non montré sur le dessin) sert à fixer le support inférieur 38 en contact thermique avec la paroi d'extrémité inférieure 24. Chacun des anneaux 48 est fabriqué en une matière électriquement isolante, et à faibles pertes, de préférence une matière plastique, telle que le polystyrène. Les supports 36 et 38 servent à extraire la chaleur de leurs résonateurs correspondants 26 et 30 et à conduire la chaleur vers les parois d'extrémité correspondantes 22 et 24, d'où la chaleur est émise vers l'environnement à l'extérieur du filtre 10. Cette conduction de chaleur à distance des résonateurs 26 et 30 maintient les résonateurs à une température de fonctionnement fraîche adéquate, même en présence d'une puissance électromagnétique élevée, ce qui permet au filtre 10 de fonctionner avec une puissance électromagnétique élevée. Selon une autre particularité de l'invention, le filtre 10 peut être pourvu de vis d'adaptation et de couplage de mode, auquel cas les supports 36 et 38 permettent la mise en place des vis derrière les résonateurs correspondants 26 et 30 à l'intérieur des zones des supports correspondants 36 et 38. A titre d'exemple, la figure 1 montre une première vis d'adaptation 52, placée dans la cavité supérieure 12 et orientée parallèlement à une fente 54 de l'iris 18 pour une interaction avec une onde à polarisation horizontale, et une seconde vis d'adaptation 56, située dans la cavité supérieure 12 et orientée parallèlement à une fente 58 de l'iris 18 pour une interaction avec une onde à polarisation verticale. Une vis de couplage de mode 60, située dans la cavité supérieure 12, est orientée dans une direction à 45 degrés par rapport aux fentes 54 et 58 de manière à assurer le couplage d'énergie entre les ondes à polarisation verticale et à polarisation horizontale. Une autre vis d'adaptation 62 est également montrée à titre d'exemple et elle est placée à l'intérieur de la cavité inférieure 14, et dirigée parallèlement à la fente 54. Les vis sont fixées à la paroi latérale 20 par des supports filetés 64, trois de ces supports 64 étant montrés sur la figure. Bien que seulement quatre des vis soient représentées sur le dessin, il est bien évident que des vis supplémentaires d'adaptation et de couplage de mode peuvent être prévues. Par exemple, il peut y avoir deux vis d'adaptation et une seule vis de couplage de mode pour chacune des cavités 12 et 14. La vis d'adaptation 52 est disposée dans un plan parallèle à une surface de base 32 du résonateur supérieur 26 et elle est placée approximativement à michemin entre le résonateur 26 et la paroi d'extrémité supérieure 22, comme le montre la figure 2. La vis d'adaptation 56 et la vis de couplage de mode 60 sont situées dans le même plan que la vis d'adaptation 52. De manière similaire, dans le cas de la vis d'adaptation 62 dans la cavité inférieure 14, la vis est disposée parallèlement à la surface de base du résonateur 30 et à la paroi d'extrémité inférieure 24 et elle est placée approximativement à mi-chemin entre le résonateur 30 et la paroi d'extrémité 24. Les ouvertures 44 des supports 36 et 38 sont situées au niveau des positions des vis d'adaptation et des vis de couplage de mode de manière à permettre l'introduction de ces vis, par les ouvertures 44 correspondantes, dans leurs cavités respectives sur une distance désirée quelconque, sans interférence avec la paroi 40 d'un support. Afin d'avoir de la place pour le support et le résonateur à l'intérieur d'une cavité, la cavité a une forme allongée, sa longueur axiale représentant approximativement trois fois la longueur axiale du résonateur. Par exemple, la longueur d'une cavité, mesurée selon l'axe 28, peut être de 25,4 mm (un pouce), tandis que la dimension correspondante du résonateur est d'approximativement 28,46 mm (un tiers de pouce). L'installation des vis derrière un résonateur, dans l'espace entre un résonateur et une paroi d'extrémité d'une cavité, permet aux vis d'être placées à une distance suffisante par rapport au résonateur pour empêcher une décharge électrique entre une vis et un résonateur, et ce même en présence d'une puissance électromagnétique élevée. Le filtre 10 peut ainsi fonctionner avec une puissance électromagnétique élevée. Une sonde de couplage, par exemple une sonde coaxiale 66 ayant un conducteur central 68, peut être montée sur la paroi latérale 20 en face d'une ouverture 44 d'un support, par exemple le support supérieur 36, ainsi que le montre la figure 1. L'ouverture 44 fournit l'espace nécessaire, le cas échéant, à la mise en place du conducteur 68. La sonde permet un couplage vers l'intérieur ou vers l'extérieur de la cavité supérieure 12. Une sonde similaire, non montrée, peut être montée de la même manière sur la paroi latérale 20 en un emplacement en face d'une ouverture 44 du support inférieur 38 pour le couplage de puissance vers la cavité inférieure 14, ou à partir de celle-ci. Ainsi, l'invention permet au filtre 10 de prendre en charge une augmentation sensible de la puissance électromagnétique, représentant approximativement dix fois celle qui était possible jusqu'à présent avec des filtres à résonateurs diélectriques. Cet avantage de l'invention résulte des fonctions, cidessus décrites, d'évacuation de la chaleur et de la position des vis, à distance des résonateurs pour empecher une décharge électrique. Il doit être bien entendu que le mode de réalisation ci-dessus décrit de l'invention l'a été uniquement à titre d'exemple et que des modifications peuvent y être apportées, ce que comprendront aisément les personnes expérimentées dans cette technique. Par conséquent, I'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation ici décrit, mais seulement par les revendications annexées. REVENDICATIONS 1. Filtre (10) caractérisé en ce qu'il comprend au moins une première cavité (12 , 14) et au moins un premier résonateur diélectrique (26 , 30), et au moins un premier support (36 ; 38) pour soutenir ledit premier résonateur à l'intérieur de ladite première cavité, ladite première cavité étant formée d'une paroi latérale (20) électriquement conductrice et comportant une paroi d'extrémité (22 , 24) reliée à ladite paroi latérale, ladite paroi d'extrémité étant électriquement conductrice et thermiquement conductrice; et et en ce que ledit premier support (36 , 38) est disposé à l'intérieur de ladite cavité (12 , 14) entre ledit résonateur (26 , 30) et ladite paroi d'extrémité (22 24), ledit support établissant un contact thermique avec une paroi de ladite cavité et avec une surface dudit résonateur, ledit support (36, 38) ayant une forme cylindrique et étant fait d'un matériau électriquement isolant et thermiquement conducteur pour l'évacuation de la chaleur à partir dudit résonateur (26; 30). 2. Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau dudit premier support (36 , 38) est du nitrure de bore. 3. Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit premier support (36 , 38) comprend un moyen de fixation avec ledit premier résonateur (26 30). 4. Filtre selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit moyen de fixation comprend un filetage (42) pour venir en prise avec une surface extérieure dudit premier résonateur (26 , 30). 5. Filtre selon la revendication 4, caractérisé en ce que la surface extérieure dudit premier résonateur (26 , 30) comporte un filetage (46) pour venir en prise avec le filetage (42) dudit premier support (36 , 38). 6. Filtre selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit premier support (36 , 38) a une forme cylindrique circulaire, et la surface extérieure dudit premier résonateur (26 : 30) a une forme cylindrique circulaire. 7. Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit support (36 38) est fixé à ladite paroi d'extrémité (22 , 24). 8. Filtre selon la revendication 1, comprenant en outre au moins une première vis d'adaptation (52, 56 , 62) montée sur ladite paroi latérale (20) de la cavité et s'étendant radialement vers l'intérieur par rapport à ladite paroi latérale de la cavité, ledit premier résonateur (26, 30) ayant une surface d'extrémité faisant face à ladite paroi d'extrémité de la cavité, ladite première vis étant placée entre ledit premier résonateur et ladite paroi d'extrémité de la cavité , et caractérisé en ce que ledit premier support (36 , 38) a une paroi latérale cylindrique (40) avec au moins une première ouverture (44) pour permettre le passage de ladite vis (52 , 56 , 62) vers un emplacement à distance de la surface d'extrémité dudit premier résonateur pour empêcher la formation d'un arc de décharge électrique. 9. Filtre selon la revendication 8, comprenant en outre, un moyen de couplage (66) s'étendant à travers ladite paroi latérale (20) de la cavité (12 ; 14) pour le couplage de puissance électromagnétique dans ladite première cavité, ledit moyen de couplage étant placé entre la surface d'extrémité dudit premier résonateur (26, 30) et ladite paroi d'extrémité de cavité (22 , 24) et en face dudit premier support (36, 38). 10. Filtre selon la revendication 9, caractérisé en ce que la paroi latérale (40) dudit premier support (36 , 38) a une pluralité d'ouvertures (44), comprenant ladite première ouverture, le filtre comprenant en outre une vis de couplage de mode (60) montée sur ladite paroi latérale (20) de la cavité et s'étendant radialement vers l'intérieur de ladite paroi latérale de la cavité, ladite première vis (52, 56 , 62) étant en correspondance avec un plan de polarisation d'un champ électromagnétique pour adapter un mode du filtre et ladite vis de couplage de mode (60) étant orientée à approximativement 45 degrés par rapport au plan de polarisation pour un couplage entre deux modes du filtre. 11. Filtre selon la revendication 1, comprenant en outre une seconde cavité (14 , 12) et un second résonateur diélectrique (30 , 26) et un second support (38 , 36) pour soutenir ledit second résonateur à l'intérieur de ladite seconde cavité, ladite seconde cavité étant faite à partir d'une paroi latérale électriquement conductrice (20) et comportant une paroi d'extrémité (24 , 22) reliée à ladite paroi latérale, ladite paroi d'extrémité de ladite seconde cavité étant électriquement conductrice et thermiquement conductrice caractérisé en ce que ledit second support (38 , 36) est disposé à l'intérieur de ladite seconde cavité (14 . 12) entre ledit second résonateur (30 , 26) et ladite paroi d'extrémité (24 , 22) de ladite seconde cavité, ledit second support établissant un contact thermique avec une paroi de ladite seconde cavité et avec une surface dudit second résonateur, ledit second support ayant une forme cylindrique et étant fait à partir d'un matériau électriquement isolant et thermiquement conducteur pour l'évacuation de la chaleur à partir dudit résonateur, et ledit filtre (10) comprenant une autre paroi d'extrémité (16) disposée entre ladite première cavité et ladite seconde cavité, un iris (18) étant présent dans ladite autre paroi d'extrémité (16) pour le couplage de puissance électromagnétique entre ladite première cavité et ladite seconde cavité. 12. Filtre selon la revendication 11, caractérisé en ce que chacun desdits supports (36, 38) a une forme cylindrique circulaire et la surface extérieure de chacun desdits résonateurs (26,30) a une forme cylindrique circulaire; ledit premier support est monté sur la paroi d'extrémité de ladite première cavité et ledit second support est monté sur la paroi d'extrémité de ladite seconde cavité le filtre comprend en outre au moins une première vis d'adaptation (52, 62) montée sur ladite paroi latérale (20) de la première cavité (12 , 14) et une seconde vis d'adaptation (62 , 52), montée sur ladite paroi latérale de la seconde cavité (14 , 12), lesdites vis d'adaptation s'étendant radialement vers l'intérieur des parois latérales de la cavité correspondante desdites première et seconde cavités, ledit premier résonateur (26 , 30) ayant une surface d'extrémité (32) faisant face à ladite paroi d'extrémité de la première cavité (12 , 14) et ledit second résonateur (30 26) ayant une surface d'extrémité (32) faisant face à ladite paroi d'extrémité de la seconde cavité (14, 12), ladite première vis d'adaptation (52 , 62) étant placée entre ledit premier résonateur et ladite paroi d'extrémité de la première cavité, ladite seconde vis d'adaptation (62 , 52) étant placée entre ledit second résonateur et ladite paroi d'extrémité de la seconde cavité , et caractérisé en ce que chacun desdits supports (36, 38) a une paroi latérale cylindrique (40) présentant au moins une première ouverture (44) pour permettre le passage de l'une desdites vis d'adaptation (52, 62) jusqu'à une position à distance des surfaces d'extrémité respectives desdits résonateurs pour empêcher la formation d'un arc de décharge électrique. 13. Filtre selon la revendication 12, comprenant en outre des premier et second moyens de couplage (66) traversant la paroi correspondante desdites parois latérales (20) des cavités pour le couplage de puissance électromagnétique vers la cavité correspondante caractérisé en ce que, dans chacune desdites cavités (12, 14), I'un desdits moyens de couplage (66) est placé entre la surface d'extrémité du résonateur correspondant desdits résonateurs (26, 30) et une paroi correspondante desdites parois d'extrémité de cavité et en face du support correspondant desdits supports (36, 38). 14. Filtre selon la revendication 13, caractérisé en ce que la paroi latérale dudit premier support a une pluralité d'ouvertures (44) comprenant ladite première ouverture, le filtre comprenant en outre une première vis de couplage de mode (60) montée sur ladite paroi latérale de la première cavité (12 ; 14) et s'étendant radialement vers l'intérieur de ladite paroi latérale de la première cavité; ladite première vis d'adaptation (52 ; 62) coïncidant avec un plan de polarisation d'un champ électromagnétique pour accorder un mode du filtre et ladite première vis de couplage de mode (60) étant orientée à approximativement 45 degrés par rapport au plan de polarisation pour le couplage entre deux modes du filtre, la paroi latérale (40) dudit second support (38 , 36) a une pluralité d'ouvertures (44) comprenant ladite première ouverture, le filtre comportant en outre une seconde vis de couplage de mode (60) montée sur ladite paroi latérale de la seconde cavité (14 , 12) et s'étendant radialement vers l'intérieur de ladite paroi latérale de la seconde cavité , et ladite seconde vis d'adaptation (62 , 52) coïncidant avec un plan de polarisation d'un champ électromagnétique pour accorder un mode du filtre et ladite seconde vis de couplage de mode (60) étant orientée à approximativement 45 degrés par rapport au second plan de polarisation pour le couplage entre deux modes du filtre. 15. Filtre selon la revendication 14, caractérisé en ce que le matériau dudit premier et dudit second supports (36, 38) est le nitrure de bore chacun desdits supports comprend un moyen de fixation avec le résonateur correspondant desdits résonateurs (26, 30) chacun desdits moyens de fixation comporte un filetage (42) pour venir en prise avec une surface extérieure correspondante du résonateur correspondant desdits résonateurs , et les surfaces extérieures desdits résonateurs comportent des filetages (46) pour venir en prise avec les filetages (42) dudit support correspondant.