Brevet FR2771857A1 — publié le 19990604

La présente invention se rapporte à un filtre hyperfréquences à flanc supérieur raide. Pour réaliser une fonction de filtrage de type passe-bas dans un circuit à guides d'ondes, on connaît deux techniques différentes. La première, et la plus répandue, consiste à réaliser un filtre passe-bande suffisamment large, c'est-à-dire dont le flanc inférieur est situé en- dessous de la bande de fréquences du signal utile, le flanc supérieur de ce filtre passe-bande correspondant au flanc du filtre passe-bas que l'on veut lo obtenir. Toutefois, une telle technique présente les limitations suivantes. Le nombre de cellules résonantes de ce filtre passe-bande dépend du rapport o'/IO'1 (e', et ce' étant respectivement la fréquence maximale de la bande passante pour laquelle l'atténuation du filtre est considérée -comme négligeable, et la fréquence, supérieure à co', pour laquelle on obtient lI'atténuation spécifiée sur le flanc supérieur du filtre). Plus le rapport co'/o'1 est faible, plus le nombre de cellules doit être grand. En outre, la complexité et les pertes d'insertion d'un tel filtre augmentent avec le nombre de cellules. En pratique, on est obligé de limiter ce nombre à une valeur d'environ 10, ce qui limite le rapport)'/o'i. A titre d'exemple, si on souhaite obtenir une atténuation de 30 dB avec un filtre passe-bas correctement adapté (avec une ondulation de 0,2 dB dans la bande passante) à dix cellules, avec un rapport oe'/co' = 1,18, et oe'l = 10 Ghz, on aura o)' = 11,8 Ghz. Ceci signifie qu'avec une telle technique, on ne peut réaliser un filtre qui soit passant à Ghz et présente une atténuation de 30 dB à une fréquence plus basse que 11,8 Ghz. La deuxième possibilité connue part de la technique dite " leaky wave ", généralement employée pour réaliser des filtres d'harmoniques. Elle consiste à brancher sur une ligne de propagation (guide d'ondes ou câble coaxial) une série de guides d'ondes (guides branchés) dont les dimensions sont telles que leur fréquence de coupure se situe au-delà de la bande du signal utile et en deçà de la bande des signaux harmoniques (dont la fréquence est un multiple entier du signal fondamental). Dans la bande passante du signal utile, les guides branchés n'apportent pas de perturbation, et le signal utile transite le long de la ligne principale sans se coupler dans les guides branchés. L'ensemble ne présente alors aucune atténuation dans cette bande passante. Au-delà de la fréquence de coupure des guides branchés, le signal utile se couple dans ces guides branchés, à l'intérieur desquels il est absorbé par une charge placée à l'extrémité de ces guides branchés. Ainsi, chaque guide branché prélève une petite fraction du signal utile. A l'extrémité de la ligne principale, on observe une atténuation proportionnelle au nombre de guides branchés et au degré de couplage de chacun d'eux avec la ligne principale. Cette technique de filtrage présente l'avantage d'introduire de très faibles pertes dans la bande passante, car les guides branchés ne sont pas traversés par l'onde incidente. En outre, on o10 obtient une atténuation par absorption des fréquences situées au-delà de la fréquence de coupure des guides branchés, ce qui est avantageux en particulier pour les filtres d'harmoniques disposés à la sortie des émetteurs à tubes. Cependant, la courbe de réponse de ces filtres ne permet pas de les employer en tant que filtres passe-bas dans des applications o l'on recherche des pertes extrêmement faibles jusqu'à la fréquence de coupure Fc. En effet, comme représenté en figure 1, bien avant cette fréquence de coupure, (qui est déterminée par la largeur des guides branchés), on observe un phénomène d'augmentation des pertes du filtre: c'est la zone Z sur la figure 1. La présente invention a pour objet un filtre passe-bas pour une ligne de transmission, en particulier pour un guide d'ondes hyperfréquences, présentant en-dessous de la fréquence de coupure des pertes extrêmement faibles (inférieures à environ 0,3 dB) et une atténuation élevée (d'au moins dB) à partir d'une fréquence supérieure à la fréquence de coupure et qui soit la plus proche possible de cette fréquence de coupure. Le filtre passe-bas conforme à l'invention comporte un tronçon de ligne de propagation inséré dans la ligne de transmission sur lequel sont branchés plusieurs guides d'ondes dont la fréquence de coupure est située au-delà de la fréquence de coupure requise du filtre, et il est caractérisé en ce que la longueur des guides branchés est supérieure à environ huit fois la longueur d'onde dans l'air correspondant à la fréquence de coupure du filtre, une charge étant placée à l'extrémité de chacun des guides branchés, et en ce que ces guides sont disposés sensiblement régulièrement le long du tronçon de ligne de propagation. Selon une caractéristique de l'invention, le pas des guides le long du tronçon de ligne sur lequel ils sont branchés est d'environ 1/6ème de la longueur d'onde dans l'air correspondant à la fréquence de coupure du filtre. Selon une autre caractéristique de l'invention, les longueurs des guides branchés successifs sont inégales, et avantageusement réparties aléatoirement le long de la ligne. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation, pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel: - la figure 1, déjà mentionnée ci-dessus, est un diagramme de l'atténuation en fonction de la fréquence pour un filtre passe-bas connu, - la figure 2 est une vue en coupe, d'un mode de réalisation du filtre de l'invention, - la figure 3 est une vue en coupe d'un guide d'ondes sur lequel est branché le filtre de la figure 2, - la figure 4 est une vue en perspective d'un demi-ensemble de guides branchés du filtre de la figure 2, et - la figure 5 est une vue de dessous de l'ensemble de guides branchés de la figure 2, montrant les iris de couplage des guides branchés. L'invention est décrite ci-dessus en référence à un filtre passe- bas inséré dans une ligne de transmission hyperfréquences qui est un guide d'ondes, mais il est bien entendu que l'invention peut aussi s'appliquer aux très hautes fréquences (inférieures à environ 1 Ghz) et aux lignes de transmission coaxiales. D'autre part, le filtre décrit ci- dessous a une fréquence de coupure de 9,1 Ghz, mais il est bien entendu qu'elle peut être différente. Le filtre décrit ici est inséré entre deux parties d'un guide d'ondes principal 1. Dans l'exemple considéré, ce guide d'ondes 1 (figure 3) est du type classique à section rectangulaire à double nervure centrale longitudinale, c'est-à-dire qu'il comporte sur la face interne de ses parois larges 2, 3 une " nervure " (" Ridge " en anglais) longitudinale centrale 4, 5 respectivement. Le filtre 6 comporte une portion de guide d'ondes principal 7 inséré entre les deux parties du guide d'ondes 1. La section intérieure du guide d'ondes 7 a des dimensions voisines de celles du guide d'ondes 1, mais elle ne comporte qu'une arête 8. Cette arête 8 est formée sur la face interne de la paroi large 9, correspondant à la paroi 3 du guide d'ondes 1. L'arête 8 est alignée avec les arêtes 5 des deux parties du guide 1 et a sensiblement les mêmes dimensions que ces dernières. La paroi large du tronçon de guide d'ondes 7 opposée à la paroi 9 est constituée par la paroi " inférieure " 10 de l'ensemble de guides branchés 11, c'est-à- dire la paroi dans laquelle sont pratiqués les iris de couplage des guides branchés. L'ensemble 11 se compose de deux demi-coquilles métalliques (12, 13), symétriques par rapport au plan de symétrie 14 du guide d'ondes 7. Ainsi, le corps du filtre 6 se compose de trois pièces métalliques 12, 13 et 15 assemblées entre elles par exemple par serrage mécanique. La pièce 15 en forme de " U " constitue avec les deux demi-parois " inférieures " des pièces 12 et 13 (formant ensemble la paroi 10) le guide d'ondes 7 auquel sont couplés les guides branchés formés dans les pièces 12 et 13. L'assemblage des pièces 12, 13 et 15 constitue, avec les charges absorbantes décrites ci-dessous, un composant facile à assembler aux deux parties du guide d'ondes 1. Ce composant est dénommé ici " filtre passe- bas ", bien qu'en toute rigueur le guide d'ondes principal 7 ne fasse pas partie du filtre (au moins en théorie, le guide d'ondes principal 1, formant la ligne de transmission, pourrait être ininterrompu et les guides branchés, constituant le filtre proprement dit, pourraient être couplés à un tel guide principal). Les guides branchés sont réalisés par fraisage de précision dans des plaques métalliques destinées à former les demi-coquilles 12 et 13. Par ce fraisage, on forme de longues rainures parallèles 16 dans ces plaques, en laissant subsister une cloison périphérique autour de l'ensemble de ces rainures. Pour la demi- coquille 12, représentée en figure 4, les différents côtés de cette cloison périphérique sont référencées 10, 17 et 18 (ces deux derniers côtés étant parallèles aux rainures 16) et 19 (côté opposé au côté ). On dispose à l'extrémité de chaque rainure 16 (près du côté 19) une charge absorbante 20. Ces charges 20 ont, par exemple une forme en coin triangulaire. Selon l'invention, la longueur utile des guides branchés formés par les rainures est supérieure ou égale à environ huit fois la longueur d'onde (correspondant à la fréquence de coupure du filtre) dans l'air. Dans un exemple de réalisation, pour une fréquence de coupure de 9,1 Ghz, la longueur d'onde correspondante est d'environ 33 mm, ce qui fait que la longueur utile des guides branchés (entre la paroi 10 et la charge 20 correspondante) est supérieure à environ 260 mm. De façon avantageuse, les longueurs des différents guides branchés successifs sont inégales, afin d'éviter toute périodicité de leurs effets. La largeur de toutes ces rainures (mesurée parallèlement à l'axe longitudinal du guide 7) est d'environ 4 mm (cette largeur détermine leur fréquence de coupure, qui doit être la même pour tous les guides branchés) et leur pas d'environ 5 mm. En effet, on a constaté que lorsque ce pas augmente, I'atténuation au-delà de la fréquence o de coupure augmente, mais le ROS (rapport d'ondes stationnaires) se dégrade. Par conséquent, ce pas doit être optimisé pour obtenir le meilleur compromis entre une atténuation suffisante et un ROS acceptable. Dans un exemple de réalisation, le nombre de guides branchés est au moins de 30 environ pour une fréquence de coupure en bande X, et une atténuation d'au moins 30 dB au-delà de la fréquence de coupure. Le couplage entre les guides branchés et le guide principal 7 se fait grâce à des iris 21, c'est-à-dire des ouvertures pratiquées dans la cloison 10. La largeur (mesurée parallèlement à l'axe longitudinal du guide 7) de ces iris est égale ou légèrement inférieure à celle des guides branchés. Leur longueur (mesurée perpendiculairement à l'axe longitudinal du guide 7, dans un plan parallèle à la paroi 10) est variable de la façon suivante (figure 5, sur laquelle est illustré l'exemple de réalisation à 30 guides branchés): les dix iris centraux (référencés IC dans leur ensemble) ont la même longueur L1, qui est d'environ 15 mm. Les deux iris extrêmes, notés IE, ont une longueur L2 d'environ 8 mm chacun, et les huit iris intermédiaires (de chaque côté des iris centraux, non compris les iris IE), notés 1.1., ont une longueur Ln croissant sensiblement linéairement entre les valeurs L1 et L2, ce qui permet de compenser par une transition à couplage croissant (iris à longueur croissante) le passage entre les parties du guide principal 1 sans guides branchés et le guide 7 à guides branchés. Bien entendu, le passage entre les parties du guide 1 à deux nervures (4, 5) et le guide 7 à une seule nervure se fait de façon progressive. Ainsi, dans le filtre passe-bas de l'invention, la longueur des guides branchés est telle que les charges (20) placées à leur extrémité n'absorbent pas les ondes évanescentes (qui, dans les filtres de l'art antérieur, étaient absorbées, ce qui causait des pertes dans la bande passante de ces filtres). La raideur du flanc (au-dessus de la fréquence de coupure) résulte du passage brutal des guides branchés à l'état passant, ce qui provoque à une fréquence très proche de la fréquence de coupure Fc (et supérieure à cette dernière) une forte atténuation des ondes passant dans la ligne de transmission. Cette atténuation est aussi fonction du nombre de guides branchés. Ces guides branchés doivent tous avoir la même fréquence de coupure pour que la raideur dudit flanc antérieur soit la meilleure possible. Par contre, dans la bande passante du filtre, les pertes sont très faibles (0,2 dB ou mieux). Ceci est obtenu en particulier grâce au mode de réalisation en trois pièces du filtre, qui peuvent être usinées avec une haute précision. L'intégration des iris de couplage dans la même pièce mécanique que leurs guides branchés permet d'éviter un contact électrique dans une zone de maximum de champ électrique, là o toute résistance de contact engendre des pertes. Dans l'exemple de réalisation cité ci-dessus, le filtre est passant entre 4,75 Ghz et 9,1 Ghz, et ses pertes d'insertion sont inférieures à 0,3 dB, et à partir d'une fréquence égale à Fc + 200 MHz, il présente une atténuation supérieure à 30 dB. Ainsi, le rapport c'/o'1 du filtre de l'invention est inférieur à 1,025 (alors que pour un filtre réactif de l'art antérieur à 10 cellules, ce rapport est de 1,18, ses pertes étant d'environ 1 dB dans la bande passante). REVENDICATIONS 1. Filtre passe-bande pour une ligne de transmission, comportant un tronçon (7) de ligne de propagation, inséré dans la ligne de transmission (1) sur lequel sont branchés plusieurs guides d'ondes (11) dont la fréquence de coupure est située au-delà de la fréquence de coupure requise du filtre, caractérisé en ce que la longueur des guides branchés est supérieure à environ huit fois la longueur d'onde dans l'air correspondant à la fréquence de coupure du filtre, une charge (20) étant placée à l'extrémité de chacun o des guides branchés, et en ce que ces guides sont disposés sensiblement régulièrement le long du tronçon de ligne de propagation. 2. Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le pas des guides le long du tronçon de ligne sur lequel ils sont branchés est d'environ 1/6ème de la longueur d'onde dans l'air l'air correspondant à la fréquence de coupure du filtre. 3. Filtre selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les longueurs des guides branchés successifs sont inégales. 4. Filtre selon la revendication 3, caractérisé en ce que les longueurs des guides branchés successifs sont réparties aléatoirement. 5. Filtre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que son corps est réalisé en trois parties: deux demi-coquilles (12, 13) symétriques par rapport au plan de symétrie (14) du tronçon de ligne de propagation et une pièce en forme de " U " (15) formant guide d'ondes avec l'une des parois (10) de l'ensemble des deux demi-coquilles. 6. Filtre selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le couplage entre le tronçon de ligne de propagation et les guides branchés se fait par des iris de couplage (21), ce tronçon étant un guide d'ondes à une seule nervure centrale longitudinale (8) et étant raccordé à un guide d'ondes à deux nervures centrales longitudinales (3, 4), caractérisé en ce que les iris de couplage ont la même longueur (L1) au milieu du tronçon, une longueur plus petite (L2) aux extrémités, et une longueur (Ln) croissant sensiblement linéairement entre les valeurs (L2) aux extrémités et la valeur au milieu (L1). 7. Filtre selon l'une des revendications précédentes, ayant une fréquence de coupure en bande X, caractérisé en ce qu'il comporte au moins 30 guides branchés environ.