Brevet FR2838889A1 — publié le 20031024

d'environnement, et une comparaison entre ces deux courants. FILTRE PASSE-BANDE ULTRA-SELECTIF LARGE BANDE EN TECHNOLOGIE HYBRIDE La presente invention concerne un filtre passe-bande ultra-selectif large bande en technologie hybride. L'invention trouve plus particulierement une application dans les systemes de communication large bande sans fil. La croissance rapide et continue du marche des systemes de communication large bande sans fil entralne une augmentation permanente de l'encombrement du spectre de frequence. De ce fait, chaque systeme de reception se trouve contraint de rejeter fortement les signaux perturbateurs emis dans les bandes de frequence proches de la bande de reception du systeme afin de preserver la sensibilite du recepteur. Le filtrage est done une fonction essentielle dans tout nouveau systeme de communication sans fil. Dans la chalne de reception du systeme, le filtrage est generalement opere apres une transposition en frequence, par exemple dans la bande L (bande comprise entre 1 et 2 GHz), du signal present a l' entree de la chalne de reception. L' operation de filtrage doit generalement respecter de multiples contraintes, notamment: - une bande passante relativement large par rapport a la frequence centrale (>50), - une tres forte selectivite, - une tres faible variation du temps de propagation de groupe, ci-apres note TPG, en particulier en limite de bande, - une bonne compacite, et - un cout compatible avec celui d'une production a grand volume. Le type de reponse en frequence du filtre et la technologie employee pour le fabriquer doivent etre choisis judicieusement pour que le filtre satisfasse aux contraintes precitees. Types de reponse en frequence possibles Les reponses les plus couramment utilisees vent de type Butterworth, Bessel ou Chebyshev. Wiles vent generalement dediees a la realisation de filtres dont les exigences en termes de selectivite et de TPG vent peu severest Pour obtenir une forte selectivite, il faut augmenter l'ordre du filtre. Mais, dans ce cas, le filtre perd en compacite et le TPG est fortement degrade en limite de bande. Une forte selectivite peut etre alors obtenue par une reponse de type Cauer (dit aussi elliptique). La 2s reponse de Cauer est caracterisee par un affaiblissement minimum uniformement reparti en dehors de la bande, ainsi que par la presence de zeros de transmission places symetriquement de part et d'autre de la bande passante a des frequences donnees pour lesquelles l' attenuation est theoriquement infinie. Ces zeros procurent une bonne rejection en limite de bande du filtre, mais cependant leur nombre et leur emplacement dependent uniquement de l'ordre du filtre et de l' attenuation demandee. Ce manque de liberte est penalisant pour des filtres hautement selectifs pour s lesquels il est alors necessaire d' augmenter l'ordre, entralnant de ce fait une degradation du TPG. Un autre inconvenient de la reponse de Cauer vient de la large gamme des valeurs des elements (inductances, condensateurs) utilises qui, dans bien des cas, en particulier dans le domaine des hyperfrequences, vent difficilement realisables. Le dernier type de reponse concerne les reponses de type quasi-elliptique. Ici, le nombre de zeros de transmission ainsi que leurs emplacements a la frequence nulle (DC), a des frequences finies et aux frequences infinies vent fixes en fonction du gabarit du filtre a realiser. Ainsi, par un choix optimum de ces parametres et avec un ordre minimum, une reponse de type quasi-elliptique convient a la realisation de filtres speclfiques tels que des filtres a forte selectivite, a faible variation de TPG (i.e a phase lineaire), a reponse dissymetrique etc... L'un des principales limitations de ce type de filtre reside dans le fait qu'il est parfois tres difficile d'obtenir un schema electrique qui soit realisable et compatible avec les technologies de fabrication existantes. Technologies de fabrication possibles Les technologies de fabrication presentees ci-dessous vent les principales technologies employees pour realiser des filtres en bande L. La technologie a composants discrete offre l'avantage de la compacite et d'un faible cout de fabrication. Cette technologie est plus particulierement dediee a des applications basses frequences ( hautes frequences. La technologie a "lignes microrubans" est couramment utilisee dans le domaine des hyperfrequences. Selon la permittivite du substrat utilise, elle permet la realisation de filtres plus ou moins compacts. Cette compacite peut etre augmentee par l' integration de composants discrete en plus des lignes microrubans loreque lesdits composants ne jouent pas un r81e critique. Cependant, pour des filtres tres selectifs, son utilisation reste tres limitee du fait du facteur de qualite trop faible de ses elements au-dela de lGHz, sauf si le substrat dielectrique est de tres bonne qualite, ce qui represente un cout supplementaire. Pour gagner en facteur de qualite, une solution consiste a utiliser une technologie a "ligne microruban suspendue", dans laquelle les lignes se trouvent dans un milieu proche de l'air entre deux plans de masse. s Cependant, par rapport a la technologie a ligne microruban, ce gain de qualite se fait au detriment de l'encombrement du filtre (puisque la permittivite du milieu est alors tres inferieure a celle du substrat de la technologie a ligne microruban). L' invention a pour but de realiser un filtre passe- bande presentant une bande passante relativement large par rapport a la frequence centrale du filtre et une tres faible variation du temps de propagation de groupe, une tres bonne selectivite en frequence, une bonne compacite et d'un cout compatible avec une production de masse. A cet effet, on propose, selon ['invention, de realiser un filtre de reponse de type quasi-elliptique dans une technologie de fabrication hybride associant des lignes microrubans avec elements discrete et des lignes microrubans suspendues. Aussi, l 'invention a pour objet un filtre passe-bande comportant des moyens pour rejeter des frequences en dehors de la bande passante audit filtre qui vent realises dans une technologie a ligne microruban, caracterise en ce qu'au moins l'un des moyens pour rejeter les frequences en limite haute de la bande passante est realise par au moins un circuit resonant dont les lignes microrubans vent suspendues, ledit au moins un circuit resonant etant accorde sur au moins une frequence a rejeter. Par ailleurs, les moyens pour rejeter les frequences en dehors de la bande passante autres que les moyens pour rejeter les frequences en limite haute de bande (par exemple les moyens pour la rejection des frequences infinies ou des frequences en limite basse de bande) vent de preference realises partiellement avec des composants discrete pour augmenter la compacite du filtre. De meme, la reponse en frequence du filtre est de preference de type quasi-elliptique. L' invention a egalement pour objet une chalne d'emission et/ou de reception de signaux haute frequence caracterisee en ce qutelle comporte un filtre passe-bande tel que decrit ci-dessus. D'autres caracteristiques et avantages de l' invention apparaltront a la lecture de la description detaillee qui suit et qui est faite en reference aux dessins annexes, parmi lesquels: - la figure 1 represente le schema electrique d'un filtre passebande conforme a ['invention; - la figure 2 montre la reponse en frequence du filtre de la figure 1; - les figures 3A et 3B illustrent les technologies de fabrication employees pour realiser le filtre passe bande de l 'invention; - la figure 4 est une courbe de reponse en frequence illustrant les performances en terme de rejection de la technologie hybride par rapport a la technologie microruban simple; et la figure 5 est une courbe illusLranL les performances en Lerme de TPG de la Lechnologie hybride par rapport la Lechnologie microruban simple. Selon 1'invenLion, on propose un filLre passe-bande rdalisA dans une Lechnologie bybride LiranL au maximum profit des avantages de chacune des teeMnologies de fabrication de filtre prdsentes prAcddemment, savoir: compacitd de la technologie avec composants discreLs; facLeur de qualiL dlev de la LeeUnologie ligne microruban jusqu'aux frAquences infrieures lOz environ; eL facteur de qualitA Alev de la teeLnologie ligne microruban suspendue pour des frquences supArieures 1GHz. Les figures 1 5 illustrent un mode de rdalisaLion d'un filLre passe-bande contorme 1'invenLion. La rdponse de ce filLre esL de Lype quasi-ellipLique eL son ordre esL rduiL au minimum pour rApondre la fois aux criL@res de compaciLd eL de r6;ecLion en debors de la bande passanLe. une quanLiL opLimale de zAros de Lransmission esL place de parL eL d'auLre de la bande passanLe du filLre pour rApondre la fois aux criL@res de sAlecLiviLd eL de IPG. Le scbAma AlecLrique de ce filLre esL reprdsentA sur la figure 1. Le filtre prdsentd est d'ordre 4. I1 comprend une pluralitA de circuits rdsonants eL d'@ldmenLs inductifs ou capacitifs localises. Si on decrit de fagon plus detaillee le schema de la figure 1, le filtre passe-bande comporte six circuits resonants, references CR1 a CR6, deux elements capacitifs isoles s C7 et C8 et deux elements inductifs isoles L7 et L8. Chaque circuit resonant CRi est forme d'un element inductif Li et d'un element capacitif Ci montes en eerie, avec ie[1...6]. Le circuit resonant CR1 est monte en serie avec lielement capacitif C7, les elements inductifs L7 et L8, et le circuit resonant CR6 entre la borne d' entree et la borne de sortie du filtre. Les deux circuits resonants CR1 et CR6 ont une frequence de resonance dans la bande passante. Les circuits resonants CR2, CR3, CR4 et CR5 vent connectes entre des nuds du filtre, references respectivement A, B. C et D, et la masse. Enfin, ['element capacitif C8 est place entre le nud B et la masse. Dans l'exemple de la figure 1, le neud A est situe entre les elements C1 et C7, le nud B entre les elements C7 et L7, le nud C entre les elements L7 et L8 et le nud D entre les elements L8 et L6. Ce filtre comporte les zeros de transmission suivants: - 1 zero de transmission a la frequence nulle (DC) genere par l' clement C7; - 3 zeros de transmission aux frequences infinies generes par les elements L7, L8 et C8; - 2 zeros de transmission a des frequences proches de la frequence de coupure basse generes par les circuits resonants CR2 et CR3; et - 2 zeros de transmission a des frequences proches de la frequence de coupure haute generes par les circuits resonants CR4 et CR5. Avec ce schema electrique, si on realise un filtre passe-bande ayant une frequence centrale proche de 1.5GHz et une bande passante relative de l'ordre de %, les valeurs des composants vent comprises entre et 1 et 10 nH pour les inductances et entre 2 et 5 pF pour les capacites. Ces valeurs vent parfaitement realisables dans la technologie hybride choisie. La reponse en frequence de ce filtre est montree a la figure 2. La rejection minimale a lOOMHz des frequences de coupure haute et basse est de 20 dB, ce qui repond aux exigences de selectivite du filtre en limite de bande passante. Cette figure montre egalement, a titre de comparaison, que pour obtenir la meme selectivite avec une reponse de type Chebyshev, il aurait fallu un ordre nettement plus eleve (>7), avec les inconvenients cites precedemment, a savoir un encombrement important et une forte degradation du TPG en limite de bande. Les 2 zeros de transmission generes par les circuits resonants CR4 et CR5 ainsi que l'un des zeros de transmission generes par les circuits resonants CR2 et CR3 apparaissent tres nettement sur cette figure. Selon ['invention, les inductances L1, L2, L3, L6, L7 et L8 vent realisees sous forme de lignes inductives en microruban. Cela permet de beneficier d'un facteur de qualite eleve et d'une tolerance plus serree sur leurs s valeurs. Les capacites C1, C2, C3, C6, C7 et C8 vent realisees en composants discrete par souci de compacite. Ces composants presentent un facteur de qualite suffisant pour realiser les 2 zeros de transmission a des frequences proches de la frequence de coupure basse du filtre. Enfin, les circuits resonants CR4 et CR5, produisant des zeros de transmission a des frequences proches de la frequence de coupure haute du filtre, vent realises par des lignes quart-d 'once en circuit ouvert avec des lignes microrubans suspendues. A titre diinformation, la technologie a ligne microruban avec composants discrete et la technologie a ligne microruban suspendue vent respectivement illustrees par les figures 3A et 3B. Chacune de ces figures represente une ou plusleurs lignes mlcrorubans L realisees sur un substrat dielectrique S de permittivite Er avec un plan de masse P. En technologie a ligne microruban avec composants discrete, le plan de masse P est realise sur la face du substrat S ne portent ni ligne L, ni composant discret CD. En technologie a ligne microruban suspendue, le plan de masse P est separe du substrat par une tranche d'air. Eventuellement, il est possible d'avoir deux plaques situees de part et d'autre du substrat S. chaque plaque etant separee du substrat S par une tranche d'air. Comme on peut le voir sur la figure 4, l'utilisation de la technologie a ligne microruban ne permet pas d'obtenir simultanement la largeur de bande et la rejection en frequence haute souhaitees. C'est pourquoi, on realise les circuits resonants CR4 et CR5 dans la technologie a ligne microruban suspendue. La technologie a ligne microruban permet par ailleurs un reglage simple et efficace des zeros de transmission a l' aide de vis (elles modifient les lignes du champ electromagnetique present entre les lignes microrubans et le plan de masse). Par ailleurs, comme le montre la figure 5, cette technologie hybride permet egalement de reduire les variations de TPG dans la bande utile et minimise done les distorsions de signaux. De preference, les circuits resonants CR4 et CR5, realises avec des lignes microrubans suspendues, vent places physiquement l'un a cote de l'autre dans le circuit pour encore mieux repondre a l' exigence de compacite. 2s I1 est egalement important de noter que les technologies mises en muvre ici reste compatibles avec les fonctions hautes frequences en amont (utilisation du meme substrat) dans le recepteur, ce qui a une incidence majeure sur le cout de ['ensemble de la fonction de reception. La technique proposee peut bien sur etre aussi mise en muvre dans la chalne d'emission du systeme par exemple pour filtrer un signal parasite genere dans une bande frequence proche de la bande utile. REVENDI CAT IONS 1) Filtre passe-bande comportant des moyens pour rejeter des frequences en dehors de la bande passante audit filtre qui vent realises dans une technologie a ligne microruban, caracterise en ce qu'au moins l'un des moyens pour rejeter les frequences en limite haute de la bande passante est realise par au moins un circuit resonant (CR4;CR5) dont les lignes microrubans vent suspendues, ledit au moins un circuit resonant etant accorde sur au moins une frequence a rejeter. 2) Filtre passe-bande selon la revendication 1, caracterise en ce que lesdits moyens pour rejeter les frequences en dehors de la bande passante autres que les moyens pour rejeter les frequences en limite haute de la bande vent en outre real ises part iel lement avec des composants discrete. 3) Filtre passe-bande selon la revendication 2, caracterise en ce que lesdits moyens pour rejeter les frequences en dehors de la bande passante autres que les moyens pour rejeter les frequences en limite haute 2s de bande comportent des elements inductifs et des elements capacitifs, et en ce que les elements inductifs vent realises par des lignes inductives microrubans et les elements capacitifs par des composants discrete. 4) Filtre passe-bande selon lune des revendications 1 a 3, caracterise en ce que les moyens pour reeter les frequences en limite haute de la bande vent regroupes physiquement les uns a cote des autres pour augmenter S la compacite du filtre. ) Filtre passe-bande selon l'une des revendications 1 a 4, caracterise en ce que la reponse en frequence du filtre est de type quasi-elliptique. 6) Chalne d'emission et/ou de reception de signaux haute frequence caracterisee en ce qu'elle comporte un filtre passe-bande selon l'une des revendications precedentes.