Brevet FR2832860A1 — publié le 20030530

Filtre hyperfréquence quadri-modes en guide d'ondes sans réglage et possédant des zéros de transmission L'invention concerne un filtre multimode hyperfréquence comprenant au moins une cavité résonante ainsi que des moyens d'entrée-sortie, et des moyens de couplage d'energie hyperfréquence permettant d'exciter les différents modes de résonance à l'intérieur de la cavité résonante. Un tel filtre trouve son utilité notamment en sortie d'un étage d'amplification de puissance, dans un équipement de transmission radio par exemple. Pour certaines applications, on cherche a réaliser un filtre avec une bande passante relativement large, très sélectif, et à faibles pertes dans la bande utile. Classiquement, un filtre multimode comprend également des moyens de couplage d'énergie entre modes, ces moyens étant le plus souvent réglables de manière à ajuster le transfert d'énergie entre lesdits modes. Classiquement aussi, il est prévu des moyens réglables d'accord de fréquence de la cavité résonante. Ces deux fonctions d'accord et de couplage sont souvent réalisées à l'aide des vis, pistons, ou d'autres mécanismes d'accord ou réglage variable. Un inconvénient de ces moyens classiques est justement leur réglage, souvent délicat, qui demande beaucoup de temps en usine et qui coûte donc cher. Un tel filtre connu de l'art antérieur est montré sur la figure 1. Ce filtre en guide d'onde 19 ne présente pas de zéros de transmission. En conséquence, il faut générer un nombre important de pôles pour obtenir la sélectivité recherchée, c'est à dire le rejet des fréquences en dehors de la bande de transmission du filtre. L'inconvénient est que le nombre élevé de pôles augmente considérablement les pertes d'insertion. Le filtre de la figure 1, est réalisé sur une longueur de guide d'onde 19 avec ses brides d'entrée 9 et sortie 11. Un nombre important de barreaux cylindriques ou tiges 13 sont placés perpendiculairement au grand coté du guide. Il est évident par leur nombre que le réglage en usine est fastidieux. Un deuxième filtre connu de l'art antérieur est décrit par exemple dans l'article Four-Pole Dual Mode Elliptic Filter Realized in Circular Cavity Without Screws)) de Luciano Accatino et al., IEEE Trans. MTT, V. 44, no. 12, pp 2680- 2686, December 1996. Ce filtre consiste en une longueur de guide circulaire 20 disposée entre un guide d'ondes d'entrée 10 et un guide d'ondes de sortie 12. Les guides d'ondes d'entrée et de sortie sont couplés au guide circulaire par des transitions planes 24 et 26 avec des ouvertures rectangulaires 28 et 30 respectivement. Au milieu du guide est placé un iris 22 avec une ouverture rectangulaire 29 dont les axes sont parallèles aux axes des ouvertures rectangulaire 28 et 30 des transitions planes 24 et 26. La caractéristique de ce filtre est que le couplage entre les modes, et l'accord du filtre, sont obtenus a l'aide des iris rectangulaires 25 d'épaisseur E, qui se comportent donc comme des tronçons de guide rectangulaire. Les axes de ces tronçons de guide rectangulaire ou iris sont orientés avec un angle non-nul par rapport aux axes des guides rectangulaires d'entrée 10 et de sortie 12 dans un plan perpendiculaire a l'axe de propagation Z dans le filtre ; ce sont ces angles de rotation des iris autour de l'axe Z qui permettent d'obtenir l'accord et le couplage désiré entre les modes du filtre. Il n'y a pas de vis ni aucun réglage externe de ce filtre. Cependant, la réalisation est délicate, car les iris doivent être positionnés avec une très grande précision suivant des angles arbitraires issus des programmes de simulation électromagnétique. La fabrication en series semblerait donc poser des gros problèmes. Un autre filtre bimode sur guide circulaire est décrit dans le brevet US 5,886, 594 de M. Guglielmi et al., incorporé expressément dans la présente demande pour sa description de l'art antérieur, et montré sur la figure 3. Dans ce brevet, le filtre bimode est constitué comme dans l'exemple précédent d'une longueur de guide d'ondes circulaire 20 disposée entre un guide d'ondes d'entrée 10 et un guide d'ondes de sortie 12. Les guides d'ondes d'entrée et de sortie sont couplés au guide circulaire par des transitions planes 24 et 26 avec des ouvertures rectangulaires 28 et 30 respectivement. Ce document est cité car il enseigne un autre filtre hyperfréquence sans vis de réglage d'accord ou de couplage. Le couplage entre les deux modes orthogonaux est obtenu par l'iris 22, ayant une ouverture elliptique 29 dont l'axe majeur est incliné à 45 par rapport aux axes x-x'de l'ouverture 28 et l'axe y-y' de l'ouverture 30 des transitions planes 24 et 26. Comme dans l'exemple précédent, l'angle est critique, mais il est plus facile à obtenir avec précision. En revanche, le couplage des modes dépend de façon sensible de la forme exacte de l'ellipse 29 et de l'épaisseur E de l'iris, or l'ellipse complique considérablement les calculs de simulation et de conception assistée par ordinateur. En outre, l'inclinaison de l'axe majeur de l'ellipse a 45 par rapport aux axes principaux des ouvertures rectangulaires d'entrée 28 et de sortie 30 produit une rotation de la polarisation entre l'entrée et la sortie, un effet nondésirable dans une majorité de réalisations pratiques. C'est un but de la présente invention d'obtenir un filtre hyperfréquence quadrimode avec une pluralité de zéros de transmission, qui soit plus léger, moins encombrant, très sélectif, et avec des pertes d'insertion plus faibles que les filtres multimode de l'art connu. Un autre objet de l'invention est un filtre présentant des caractéristiques qui se prêtent à une réalisation industrielle simplifiée tout en conservant des caractéristiques de fonctionnement optimisées. Dans ce but, le résonateur de l'invention présente une facilité accrue de montage et aucun réglage. Ces buts, ainsi que d'autres avantages qui apparaîtront par la suite, sont atteints par un filtre hyperfréquence quadrimode ayant une pluralité de zéros de transmission, ledit filtre comprenant au moins une cavité résonante quadrimode parallélépipédique rectangle 16, un guide d'onde d'accès en entrée 10, et un guide d'ondes d'accès en sortie 12 ; ce (s) cavité (s) (16,19,...) étant couplées aux guides d'entrée et de sortie (et entre elles si elles sont plusieurs) par des iris parallélépipédiques rectangles (15,17, 18,...) caractérisé en ce que toutes les faces des cavités (16,19,...) et des iris (15,17, 18,...) sont soit parallèles, soit perpendiculaires entre elles. Selon une réalisation particulière, lesdits guides d'accès sont rectangulaires, et toutes les faces des cavités (16,19,...) des iris (15,17, 18,...) et des guides d'accès 10,12 sont soit parallèles, soit perpendiculaires entre elles. Selon une caractéristique, les fréquences de résonance des modes de propagation électromagnétique sont déterminées par les dimensions de ladite au moins une cavité résonante 16, et la répartition d'énergie électromagnétique entre les différents modes est réalisée uniquement par les dimensions et la disposition desdits iris. Selon une réalisation préférée, les dimensions desdits guides d'accès d'entrée et de sortie 10, 12 sont choisies pour atténuer tous les modes électromagnétiques sauf le fondamental TE 10. Selon une caractéristique avantageuse, les dimensions desdits guides d'accès 10,12 sont identiques. Selon une autre caractéristique avantageuse, le mode d'entrée et le mode de sortie sont les mêmes. Selon une réalisation préférée, les iris 15,17 sont excentrés selon les deux axes transversaux (X, Y) dudit filtre. Selon une réalisation particulièrement avantageuse, les couplages, entre eux et avec les modes d'entrée et sortie, des différents modes résonants de ladite au moins une cavité résonante 16 sont obtenus uniquement par les iris 15 17, à l'exclusion de tout vis ou autre mécanisme d'accord ou de couplage. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description détaillée de quelques exemples de réalisations qui suivent, avec ses dessins annexés dont : - la figure 1, déjà évoquée qui représente en perspective un filtre sur guide rectangulaire avec de nombreuses tiges transversales connu de l'art antérieur ; - la figure 2, qui montre schématiquement et en perspective un filtre multimode hyperfréquence sur guide circulaire connu de l'art antérieur ; - la figure 3, qui montre schématiquement et en perspective un autre filtre multimode hyperfréquence sur guide circulaire connu de l'art antérieur ; - la figure 4, qui montre schématiquement et en perspective un exemple d'un filtre quadrimode hyperfréquence selon l'invention ; -la figure 5, qui montre schématiquement et vu en plan de face l'exemple du filtre de la figure 4 selon l'invention ; - la figure 6, qui montre schématiquement et vu en plan de dessus l'exemple du filtre de la figure 4 selon l'invention ; - la figure 7, qui montre des mesures de transmission obtenues sur une maquette d'un filtre selon l'invention ; - la figure 8, qui montre des mesures de réflexion en entrée obtenues sur une maquette d'un filtre selon l'invention ; - la figure 9, qui montre la comparaison des deux courbes de mesures des figures 7 et 8, avec les courbes théoriques issues d'une simulation sur ordinateur à partir des équations électromagnétiques ; - la figure 10, qui montre schématiquement et en perspective un exemple d'un filtre multi-cavité dont au moins une cavité quadrimode hyperfréquence selon l'invention ; - la figure 11, qui montre schématiquement et vu en plan de dessus l'exemple du filtre de la figure 10 selon l'invention ; - la figure 12, qui montre schématiquement et vu en plan de face l'exemple du filtre de la figure 10 selon l'invention ; - la figure 13, qui montre les simulations des coefficients de réflexion et de transmission d'un filtre multi-cavité selon l'invention, tel que dessiné sur les figures 10,11 et 12. Sur toutes les figures données à titre d'exemples non limitatifs de quelques réalisations de l'art antérieur et selon l'invention, ainsi que des exemples de dimensions et de performances qui peuvent en être obtenues, les mêmes repères se réfèrent aux mêmes éléments. L'échelle n'est pas toujours respectée pour des raisons de clarté. La figure 4 montre schématiquement et en perspective un exemple d'un filtre quadrimode hyperfréquence selon l'invention. Le filtre comprend au moins une cavité résonante quadrimode parallélépipédique rectangle (16), un guide d'onde d'accès en entrée (10), et un guide d'ondes d'accès en sortie (12). Dans l'exemple de la figure 4, l'unique cavité (16) est couplée aux guides rectangulaires d'entrée et de sortie (et entre elles si elles sont plusieurs) par des iris parallélépipédiques rectangle (15, 17). Comme caractéristique importante du filtre selon l'invention, toutes les faces des cavités (16) et des iris (15,17) sont soit parallèles, soit perpendiculaires entre elles. Dans l'exemple montré sur la figure 4, les guides d'accès sont rectangulaires, et toutes les faces des cavités (16), des iris (15,17) et des guides d'accès (10,12) sont soit parallèles, soit perpendiculaires entre elles. Grâce à cette caractéristique, la simulation par ordinateur des équations électromagnétiques à l'intérieur de la structure du filtre est particulièrement aisée et fiable, permettant de calculer avec précision les dimensions nécessaires pour obtenir les performances voulues. La fiabilité des calculs permet une bonne prédiction des fréquences de la bande passante, ainsi que les coefficients de transmission et de réflexion de la structure. Il ne reste plus qu'à usiner la structure dans la masse d'un matériau bon conducteur, par exemple du cuivre, ou de laiton. L'usinage est lui aussi facilité par la simplicité géométrique de la structure. Puisque les caractéristiques électromagnétiques de la structure sont aisément et précisément prévisibles à partir des calculs de simulation, aucun réglage subséquent n'est nécessaire pour obtenir les performances voulues. Pour résumer, le choix d'une géométrie extrêmement simple permet une simulation simple et fiable, permettant de calculer des cotes précises d'usinage, qui est lui aussi facilité par la géométrie simple. Et le tout permet d'obtenir un filtre dont les caractéristiques sont tellement prévisibles qu'aucun réglage n'est nécessaire après réalisation. Les guides d'accès d'entrée sortie peuvent être bien entendu de guides circulaires, voire des accès coaxiaux ou d'autres, l'invention ne porte pas sur la géométrie des entrée et sortie du filtre, mais sur le filtre lui même, tel que défini dans les revendications. Cependant, l'utilisation des guides rectangulaires simplifie d'avantage les calculs de simulation, et donc nous conduit a préférer ce genre d'accès. Dans l'exemple montré sur la figure 4, les guide d'accès rectangulaires ont les mêmes dimensions pour la sortie que pour l'entrée. Dans cet exemple, on a indiqué par des lettres majuscules des repères pour deux points opposés sur chaque parallélépipède, car un parallélépipède peut être entièrement défini par les coordonnées de deux points opposés. Ces repères seront utilisés plus loin dans la description par rapport aux figures 7,8 et 9. Les figures 5 et 6 montrent le même exemple d'un filtre selon l'invention que la figure 4, vu respectivement de face et de dessus. Ces figures portent les mêmes références que la figure 4 et représentent les mêmes éléments, donc elles ne suscitent pas d'avantage d'explications. A titre d'exemple, les dimensions d'un exemple d'un filtre muticavité multimode avec une pluralité de zéros de transmission selon l'invention peuvent être décrites à l'aide des points repérés sur les figures 4,5, et 6 par des lettres A à J comme suit : on prend le repère A comme origine, et on exprime toutes les dimensions en millimètres a partir de ce point en coordonnées cartésiennes (x, y, z). Par exemple : A = (0. 00,0. 00,0. 00) B = (19. 05,9. 525,0. 00) C = (7. 59,6. 28,0. 00) D = (18. 21,9. 52,4. 48) E = (-4. 64,-0. 06,4. 48) F = (18. 63,25. 25,13. 4) G = (7. 95,15. 63,13. 4) H = (18. 56,18. 61,17. 09) 1 = (0. 88,9. 32,17. 09) J = (19. 93, 18. 845, 17. 09) Une réalisation pratique d'une maquette d'un filtre selon l'invention, utilisant ces dimensions, permet d'obtenir un filtre fonctionnant en bande Ku autour de 14 GHz. Toutes les dimensions sont portées en millimètres. Dans la réalisation pratique d'une maquette d'un filtre selon l'invention, un bloc de matériau conducteur, par exemple du laiton, est coupé en deux blocs par un plan central, et les creux des différentes cavités et les iris sont usinés de coté et d'autre de ce plan central dans les deux blocs, avec éventuellement les guides d'accès. Les deux blocs sont ensuite assemblés pour en former un seul avec les creux des cavités, iris, et éventuellement les guides d'accès, enfermés à l'intérieur. La figure 7 montre des mesures de transmission obtenues sur une maquette d'un filtre selon l'invention, réalisée selon les dimensions ci-dessus. La courbe représente le rapport de l'énergie électromagnétique à la sortie du filtre par rapport a l'énergie présentée à l'entrée du filtre, en dB, en fonction de la fréquence en GHz. La figure 8 montre des mesures de réflexion en entrée obtenues sur une maquette d'un filtre selon l'invention, réalisée selon les dimensions cidessus. La courbe représente le rapport de l'énergie électromagnétique réfléchie à l'entrée du filtre par rapport a l'énergie incidente à l'entrée du filtre, en dB, en fonction de la fréquence en GHz. Comme montré sur ces deux dernières figures, la largeur de bande de cette maquette de filtre selon l'invention est supérieure a 6 %, et les pertes d'insertion sont inférieures à 0.8 dB pour ce cas particulier de maquette employant du laiton (invisibles à l'échelle du diagramme). La figure 9 montre la comparaison entre les simulations et les mesures des coefficients de réflexion Ifs111 et de transmission IS211. Cette figure appelle plusieurs remarques. Tout d'abord, on remarque qu'en général, les courbes de mesures et celles des simulations sont très semblables. Ce qui veut dire que la maquette, réalisée selon les dimensions issues des calculs de simulation, a fourni les performances attendues, à peu de choses près. Deuxièmement, on remarque un léger décalage en fréquence entre le premier zéro en transmission sur la courbe IS211 mesuré et sur la courbe IS211 simulé. Ceci est à cause des tolérances de fabrication de la maquette en usinage. En effet, la maquette était réalisée par fraisage dans la masse de laiton. La fraise ayant un diamètre fini, quelques un des angles des parallélépipèdes rectangulaire sont arrondis par endroits. Ceci a pour effet de pousser les plus basses fréquences de résonance légèrement vers le haut. La figure 10 qui montre schématiquement et en perspective un exemple d'un filtre multi-cavité dont au moins une cavité quadrimode hyperfréquence selon l'invention. Il s'agit d'un filtre composé par (dans cet ordre) : - Un guide d'onde d'accès 10 en entrée ; - un premier iris 15 ; - une première cavité résonnante 16 de forme parallélépipède rectangulaire ; - un deuxième iris 18 ; - une seconde cavité résonnante 19 de forme parallélépipède rectangulaire ; - un troisième iris 17 ; - le guide d'onde d'accès 12 en sortie. Dans l'exemple montré, les guide d'accès rectangulaires ont les mêmes dimensions pour la sortie que pour l'entrée. Dans cet exemple, on a indiqué par des lettres majuscules des repères pour deux points opposés sur chaque parallélépipède, car un parallélépipède peut être entièrement défini par les coordonnées de deux points opposés. Ces repères seront utilisés plus loin dans la description par rapport a la figure 13. Les figures 11 et 12 montrent le même exemple d'un filtre selon l'invention que la figure 10, vu respectivement de dessus et de face. Ces figures portent les mêmes références que la figure 4 et représentent les mêmes éléments, donc elles ne suscitent pas d'avantage d'explications. A titre d'exemple, les dimensions d'un exemple d'un filtre muticavité multimode avec une pluralité de zéros de transmission selon l'invention peuvent être décrites à l'aide des points repérés sur les figures 10,11 et 12 par des lettres A à N comme suit : on prend le repère A comme origine, et on exprime toutes les dimensions en millimètres a partir de ce point en coordonnées cartésiennes (x, y, z). Par exemple : A= (0, 0, 0) B= (12. 95, 6.48, 0) C = (5. 55,2. 96,0) D = (12. 70,5. 69,1. 67) E= (-2. 50,-0. 73,1. 67) F = (13. 11, 16.29, 8. 14) G = (5. 90, 10.53, 8.14) H = (13. 05,11. 87, 12. 6) 1 = (-2. 50, -0. 69,12. 6) J = (13. 11, 16. 31, 19. 13) K= (5. 62,3. 14, 19.13) L = (12. 82,5. 58,21. 09) M = (0. 020,0. 21,21. 09) N = (12. 97,6. 69,21. 09). Ces dimensions sont plus petites que dans l'exemple donné ci-dessus en rapport aux figures 4,5 et 6, ce qui donnera une fréquence plus élevée, aux alentours de 21 GHz. Avec ces dimensions, on obtient un filtre à sept pôles et deux zéros de transmission doubles (de deuxième ordre). L'une des cavités (16, 19) est donc quadrimode avec deux zéros et l'autre cavité est trimode avec deux zéros. Comme dans l'exemple de la figure 4, toutes les faces des cavités 16,19 , des iris 15,18, 17 et des guides d'accès 10,12 sont soit parallèles, soit perpendiculaires entre elles. La figure 13 montre les simulations par le calcul des coefficients de réflexion et de transmission d'un filtre multi-cavité selon l'invention, tel que dessiné sur les figures 10,11 et 12, avec les dimensions mentionnées cidessus. Ces simulations montrent que d'excellentes performances peuvent être obtenues avec ce genre de filtre. L'invention a été illustrée à l'aide de quelques exemples non limitatifs de réalisations. L'homme de l'art saura conjuguer les différents paramètres de conception des cavités et iris parallélépipédiques rectangles et des accès pour concevoir toute une gamme de filtres hyperfréquence selon les principes de l'invention, sans pour autant sortir du cadre de l'invention telle que définie par les revendications qui suivent. Revendications 1. Filtre hyperfréquence quadrimode ayant une pluralité de zéros de transmission, ledit filtre comprenant au moins une cavité résonante quadrimode parallélépipédique rectangle (16), un guide d'onde d'accès en entrée (10), et un guide d'ondes d'accès en sortie (12) ; ce (s) cavité (s) étant couplées aux guides d'entrée et de sortie (et entre elles si elles sont plusieurs) par des iris parallélépipédiques rectangles (15,17) caractérisé en ce que toutes les faces des cavités (16) et des iris (15,17) sont soit parallèles, soit perpendiculaires entre elles. 2. Filtre hyperfréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits guides d'onde d'accès en entrée (10) et en sortie (12) sont rectangulaires, et en ce que toutes les faces des cavités (16), des iris (15,17), et des guides d'accès (10,12) sont soit parallèles, soit perpendiculaires entre elles. 3. Filtre hyperfréquence selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les fréquences de résonance des modes de propagation électromagnétique étant déterminées par les dimensions de ladite au moins une cavité résonante (16), la répartition d'énergie électromagnétique entre les différents modes est réalisée uniquement par les dimensions et la disposition desdits iris (15, 17). 4. Filtre hyperfréquence selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les dimensions desdits guides (10,12) d'entrée et de sortie sont choisies pour atténuer tous les modes électromagnétiques sauf le fondamental TE 10. 5. Filtre hyperfréquence selon la revendication 4, caractérisé en ce que les dimensions desdits guides d'accès (10,12) sont identiques. 6. Filtre hyperfréquence selon la revendication 5, caractérisé en ce que le mode d'entrée et le mode de sortie sont les mêmes. 7. Filtre hyperfréquence selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les iris (15,17) sont excentrés selon les deux axes transversaux (X, Y) dudit filtre. 8. Filtre hyperfréquence selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les couplages, entre eux et avec les modes d'entrée et sortie, des différents modes résonants de ladite au moins une cavité résonante sont obtenus uniquement par les iris (15,17), à l'exclusion de tout vis ou autre mécanisme d'accord ou de couplage.