Brevet FR2871618A1 — publié le 20051216

La présente invention se rapporte aux filtres passe-bande hyperfréquences, plus particulièrement aux filtres réalisés en technologie guide d'onde plan E avec un insert diélectrique imprimé, le filtre étant insérable dans une chaîne de transmission réalisée sur circuit imprimé. Elle s'applique plus particulièrement aux systèmes de télécommunication sans fil fonctionnant dans le domaine millimétrique et devant répondre à des exigences de pureté spectrale élevées Dans le cadre des communications bidirectionnelles à large bande utilisant un satellite géostationnaire dans la bande Ka, on a besoin d'utiliser dans les terminaux destinés au marché grand public un filtre de sortie permettant d'atténuer les signaux parasites situés en dehors de la bande utile, typiquement 29,5 30 GHz. Ce filtre doit permettre plus particulièrement de rejeter la fréquence de l'oscillateur local, située typiquement à 28,5 GHz. Pour respecter les contraintes du marché grand public, ce filtre doit être à faible coût. Compte-tenu des exigences demandées, il est connu d'utiliser pour cela une technologie de type guide d'onde selon diverses modalités, notamment: des filtres à cavité mono ou multi-modes couplées entre elles par des iris inductifs ou capacitifs; - des filtres à mode évanescent; - des filtres du type plan E, comportant des inserts métalliques ou des inserts diélectriques imprimés, communément appelés FINLINE. La technologie de base utilisée dans la présente invention correspond à la dernière citée plus haut et est illustrée sur la figure 1. Sur cette figure 1, un guide d'ondes hyperfréquence 101 de section rectangulaire est divisé en deux parties identiques par un substrat diélectrique plan 102 situé dans le plan E de propagation de ce guide. Ce substrat est à faibles pertes et d'épaisseur minimale (inférieur à 0,2 mm par exemple) pour ne pas dégrader le facteur de qualité du guide. Toutefois sur cette figure, ainsi que sur les autres, l'épaisseur du substrat a été représentée très agrandie pour faciliter la lisibilité. Le substrat 102 comporte sur l'une au moins de ses faces des conducteurs imprimés 103 électriquement reliés aux faces internes du guide qui supportent le substrat 102 et dont la topologie détermine la réponse souhaitée pour le filtre. Pour simplifier le langage, on appellera inserts conducteurs ces conducteurs électriquement reliés au guide. L'intérêt principal de cette technologie est de pouvoir s'intégrer et s'interfacer facilement avec d'autres technologies planaires, telles que les technologies micro-ruban ou micro-ruban suspendu. Ceci permet alors d'intégrer la fonction de filtrage dans les circuits imprimés sur la carte principale du système d'émission. La topologie d'un filtre passe-bande la plus couramment utilisée dans les technologies représentées sur la figure 1 consiste à utiliser n + 1 inserts inductifs mis à la masse en étant électriquement reliés aux faces internes du guide, lorsque n est l'ordre du filtre. Ces inserts sont approximativement espacés entre eux d'une demi-longueur d'onde guidée et sont imprimés en principe sur une seule face du substrat. Toutefois, pour minimiser la sensibilité de la réponse du filtre aux tolérances de fabrication, on imprime de préférence les inserts de manière sensiblement identique sur les deux faces du substrat, mais ils sont toujours connectés aux parois internes du guide. La courbe de réponse des filtres passe-bande ainsi obtenue est du type dit Chebyshev. Pour obtenir la sélectivité spectrale nécessaire, on peut théoriquement utiliser un filtre d'ordre élevé. Le filtre alors obtenu présente des dimensions physiques importantes et une forte sensibilité aux erreurs de fabrication portant sur ses dimensions. Il est donc dans la pratique très difficile, voire impossible, à fabriquer. La présente invention propose une nouvelle structure de filtre passe bande hyperfréquence permettant notamment de remédier aux problèmes de dimensionnement tout en maintenant des performances importantes et des coûts de production bas. La présente invention concerne un filtre passe bande hyperfréquence du type FINLINE comportant un guide d'ondes muni d'un substrat isolant placé dans un plan E du guide et comportant sur au moins une de ses faces des inserts conducteurs connectés électriquement aux faces internes du guide qui supportent le substrat et qui déterminent par leurs dimensions et leur emplacement sur le substrat une courbe de réponse du filtre de type Chebyshev, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une cavité en court circuit perpendiculaire au substrat, l'emplacement et les dimensions de la cavité déterminant un zéro de transmission sur la courbe de réponse du filtre permettant d'atténuer les fréquences situées aux alentours de ce zéro. Par zéro de transmission , il faut comprendre une 15 atténuation totale sur la courbe de réponse du filtre, l'atténuation se faisant pour une fréquence donnée. De préférence, deux cavités qui peuvent être de forme identique ou différente, sont prévues, l'une en entrée et l'autre en sortie du filtre. Chaque cavité présente une longueur égale à la demi-longueur d'onde guidée Àg/2 calculée à la fréquence donnée, la longueur d'onde guidée étant fonction de la section du guide. Selon une variante de réalisation, une seule cavité munie d'un moyen permettant d'ajuster sa fréquence de résonance à la fréquence voulue est prévue en entrée du filtre. Le moyen permettant d'ajuster la fréquence de résonance est, par exemple, une vis de réglage. Selon une autre caractéristique de la présente invention, la connexion du filtre est réalisée par une boucle inductive reliée à un circuit de traitement en technologie micro-ruban.. Le circuit en technologie microruban comporte sur le même substrat isolant que celui recevant les inserts conducteurs, une ligne d'adaptation ou ligne quart d'onde et une ligne d'impédance caractéristique 50 Ohms. Selon encore une autre caractéristique de l'invention permettant de diminuer la longueur totale du filtre, les cavités en court circuit sont placées perpendiculairement aux boucles inductives. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description de différents modes de réalisation, cette description étant faite avec référence aux dessins ciannexés dans lesquels: -Fig.1 déjà décrite représente une vue en perspective schématique d'un filtre passe bande plan E de type FINLINE selon l'art 10 antérieur, -Fig.2 est une vue en perspective éclatée d'un filtre passe bande plane de type FINLINE selon un premier mode de réalisation de la présente invention, -Fig.3 est une vue selon le plan XZ du filtre de figure 2, -Fig.4 est une vue en plan de dessus du substrat isolant utilisé dans le filtre de figure 2, -Fig.5A et Fig.6 représentent les courbes de réflexion et de transmission respectivement du filtre de la figure 2 et d'un filtre passe bande plan E de type FINLINE d'ordre 3 standard, Fig. 5B étant une vue en perspective identique à celle de la figure 2 montrant le rôle de la cavité à la fréquence à rejeter, -Fig.7 est une vue en perspective d'un second mode de réalisation d'un filtre passe bande plan E de type FINLINE selon la présente invention, -Fig.8 est une vue en plan de dessus du substrat isolant utilisé dans le filtre de la figure 7et -Fig.9 représente les courbes de réflexion et transmission du filtre de la figure 7. Pour simplifier la description, dans les figures les mêmes éléments portent les mêmes références. On décrira tout d'abord avec référence aux figures 2 à 6, un premier mode de réalisation d'un filtre passe bande plan E de type FINLINE conforme à la présente invention. En se référant aux figures 2 à 4, le filtre 200 selon l'invention comporte une base 201 et un capot 202 réalisé tous deux en métal. Dans la base et dans le capot, a été moulé un guide d'ondes rectangulaire 203. Plus précisément, une demi -moitié 203a du guide d'ondes est moulée dans la base tandis que l'autre demi-moitié 203b est moulée dans le capot, comme représenté clairement sur les figures 2 et 3. De manière connue, le guide d'ondes est muni d'un substrat diélectrique mince 204 placé longitudinalement dans le plan E de ce guide, à savoir dans le plan XY de la figure 2. La face supérieure du substrat comporte quatre inserts 205. Ces inserts 205 sont des inserts inductifs formés de métallisations rectangulaires plus ou moins larges et sont séparés les uns des autres d'une distance sensiblement égale à la demi-longueur d'onde guidée. Pour que la réponse du filtre soit moins sensible aux tolérances de fabrication, les inserts peuvent être imprimés sur les deux faces du substrat. Comme représenté sur les figures 2 et 4, deux bandes métallisées 206 sont imprimées sur les bords longitudinaux des deux faces du substrat. Les bandes 206 comprennent des trous métallisés, non représentés, qui servent à assurer une parfaite continuité de masse entre les deux parties 203a et 203b du guide d'ondes. La structure décrite ci- dessus permet d'obtenir la fonction de filtrage passe-bande de type Chebyshev. Les dimensions et l'emplacement des inserts sont déterminés de manière connue pour obtenir la courbe de réponse souhaitée. Dans ce cas précis, comme il y a quatre inserts le filtre est d'ordre 3. D'autre part, conformément à la présente invention, deux cavités 207 en court circuit sont moulées dans le capot 202 de manière à être perpendiculaire au substrat 204. Chaque cavité 207 présente une longueur égale à la demi-longueur d'onde guidée XLg/2 calculée à la fréquence (Fz) donnée, la longueur d'onde guidée étant fonction de la section du guide. Ces cavités génèrent chacune un zéro de transmission autour de la fréquence (Fz) à rejeter. Chaque cavité ramène un court- circuit respectivement à la fréquence Fzl et Fz2 dans l'axe principal du guide et coupe de ce fait quasi totalement le transfert du signal, comme le montre la figure 5B qui représente les iso-amplitudes du champ électrique dans le filtre à la fréquence Fzl qui correspond à la cavité en entrée. La seconde cavité prévue en sortie génère un zéro de transmission autour de la fréquence Fz2 très proche de la fréquence Fzl, comme on le voit sur la courbe 401' de la figure 5A. L'utilisation de deux cavités permet également d'avoir une bande de rejet assez large autour de la fréquence voulue afin de palier aux dérives éventuelles de la réponse du filtre dues aux tolérances de fabrication. Toutefois, on peut aussi envisager un filtre avec une seule cavité en entrée, cette cavité étant munie d'un moyen de réglage de la fréquence Fz tel qu'une vis de réglage. De plus, comme représenté sur les figures 2 et 3, la transition entre le guide d'onde et les circuits en technologie micro-ruban est réalisée sur le même substrat 204. De manière plus spécifique, cette transition comporte une boucle inductive 210 d'excitation du mode fondamental du guide. Cette boucle est reliée à une ligne d'adaptation 211 réalisée en technologie micro-ruban sur une extrémité du substrat 204 dont la face inférieure a été métallisée et/ou est en contact avec la base métallique 201 pour former plan de masse. Le capot est muni d'un évidemment 209 qui prolonge la demi-moitié supérieure 203b du guide d'ondes. La ligne d'adaptation 211 se prolonge par une ligne d'impédance caractéristique 50 ohms 212 réalisée aussi en technologie micro-ruban. Cette transition est réalisée aux deux extrémités du guide d'ondes, comme représenté sur les figures. Le filtre représenté sur la figure 2 correspond à une réalisation particulière qui a été implantée dans un guide standard de type WR28 de section 3,556 X 7,112 mm2, muni d'un substrat diélectrique bas coût de type RO4003 et d'épaisseur 0,2 mm. Ce filtre est d'ordre 3, avec quatre inserts conducteurs, et ces inserts ont été calculés pour obtenir une bande passante conforme à celle d'un terminal de type Ka, soit 29,5-30,0 GHz. Un filtre de ce type a été simulé en utilisant le simulateur électromagnétique 3D HFSS/ANSOFT. Les résultats de la simulation sont donnés sur les figures 5A et 6, respectivement dans le cas d'un filtre conforme à la présente invention mais sans les deux transitions micro-ruban/guide et dans le cas d'un filtre FINLINE classique. La courbe de réponse d'un filtre ne comportant que des inserts conducteurs est donc uniquement du type Chebyshev et est représentée en 401 sur la figure 6. Cette courbe présente alors un zéro d'atténuation autour de 28,50 GHz comme représenté par la courbe 401' de la figure 5A, dans le cas d'un filtre muni de deux cavités en court- circuit conformément à un mode de réalisation de l'invention. Chacune des cavités rajoutée modifie les impédances d' accès du filtre et de ce fait le désadapte. Ceci est corrigé par un redimensionnement des inserts. Les courbes 402 et 402' représentent les pertes par réflexion qui sont très faibles et qui démontrent une bonne adaptation à une impédance de 50 ohms des filtres. Ainsi, basé sur les résultats donnés par les courbes de la figure 5, le filtre passe bande plan E de type FINLINE présente les performances suivantes: pertes d'insertion d'environ 0,8dB adaptation>25dB atténuation de la fréquence à 28,55GHz>45dB atténuation de la bande image >40dB On décrira maintenant avec référence aux figures 7 à 9, un autre mode de réalisation de la présente invention. Dans ce cas, le filtre 300 est constitué d'un guide d'onde rectangulaire 301 formé de deux demi-parties 301a et 301b. Entre les deux demi-parties est monté un substrat isolant mince 304 sur lequel ont été métallisés 4 inserts 303 dont le nombre et la largeur déterminent les caractéristiques du filtre. Le substrat est positionné selon le plan E de propagation du filtre. Conformément à un aspect de l'invention, le substrat se prolonge en dehors de la partie guide d'ondes par une partie 302 recevant les lignes d'alimentation en technologie micro-ruban comme pour le premier mode de réalisation. La transition 302 comporte donc une boucle inductive 305 suivie d'une ligne d'adaptation et d'une ligne 50 Ohms en technologie micro-ruban. Dans ce mode de réalisation, les cavités en court-circuit 306 sont réalisées directement au-dessus des boucles inductives 305 comme représenté sur les figures 7 et 8. Cette position spécifique permet de compacter encore plus le filtre. Ce mode de réalisation a été simulé comme décrit ci-dessus. On obtient les courbes de la figure 9 parmi lesquelles la courbe 501 montre un zéro d'atténuation >50dB pour la fréquence 28,50GHz. l'autre courbe 502 représente les pertes par réflexion et montre la bonne adaptation du filtre. La présente invention peut s'appliquer à d'autres types de filtre passebande hyperfréquence de type FINLINE que celui décrit 15 spécifiquement ci-dessus. II est évident pour l'homme de l'art que le filtre passe bande plan E de type FINLINE conforme à la présente invention présente de nombreux avantages. Notamment, il est plus compact et moins sensible aux tolérances de fabrication qu'un filtre FINLINE classique, de plus étant compatible avec la technologie circuit imprimé sur substrat organique, il présente des pertes d'insertion beaucoup plus faibles et est obtenu à un coût plus bas que les filtres classiques. Le filtre selon la présente invention peut être intégré notamment dans l'unité extérieure ou ODU (Outdoor Unit en langue anglaise) de transmission d'un terminal utilisateur pour éliminer, en particulier la composante résiduelle dans la bande d'émission qui ne doit pas être rayonnée par le terminal. Dans ce cas, l'unité extérieure comporte au moins un mélangeur sous harmonique recevant sur une entrée le signal RF, à savoir un signal dans la bande 0.95-1.45 GHz pour un fonctionnement en bande Ka, issu de l'unité intérieure et sur l'autre entrée, un signal issu d'un oscillateur local fonctionnant en bande Ku, la sortie du mélangeur étant envoyée sur une filtre passe-bande de type FINLINE tel que décrit ci-dessus. Il est évident pour l'homme de l'art que le filtre de la présente invention peut être aussi utilisé dans d'autres systèmes que les terminaux 5 utilisateurs décrits ci-dessus. REVENDICATIONS 1- Filtre passe bande hyperfréquence du type FINLINE comportant un guide d'ondes (203,301) muni d'un substrat (204, 304) isolant placé dans un plan E du guide et comportant sur au moins une de ses faces des inserts conducteurs (205, 303) connectés électriquement aux faces internes du guide qui supportent le substrat et qui déterminent par leurs dimensions et leur emplacement sur le substrat une courbe de réponse du filtre de type Chebyshev, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une cavité (207, 306) en court circuit perpendiculaire au substrat, l'emplacement et les dimensions de la cavité déterminant un zéro de transmission sur la courbe de réponse du filtre permettant d'atténuer les fréquences situées aux alentours de ce zéro. 2- Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il comporte deux cavités de forme identique ou différente. 3- Filtre selon la revendication 2, caractérisé en ce que les deux cavités sont prévues l'une en entrée et l'autre en sortie du filtre. 4- Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une cavité munie d'un moyen de réglage de la fréquence, ladite cavité étant prévue en entrée du filtre. 5- Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la cavité présente une longueur égale à la demi longueur d'onde guidée calculée à la fréquence du zéro de transmission. 6- Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, 30 caractérisé en ce que la connexion du filtre à des circuits de traitement en entrée et en sortie est réalisée par une boucle inductive. 7- Filtre selon la revendication 6, caractérisé en ce que les circuits de traitement sont réalisés en technologie micro ruban et comportent sur le même substrat que celui recevant les inserts, une ligne d'adaptation et une ligne d'impédance caractéristique 50 Ohms. 8- Filtre selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que la cavité (306) est placé perpendiculairement à une boucle inductive. 9- Unité extérieure pour terminal de transmission comportant au moins un mélangeur sous harmonique et un oscillateur local opérant à une fréquence donnée (OL), le mélangeur recevant sur une première entrée un signal à émettre et sur une seconde entrée le signal issu de l'oscillateur local, caractérisée en ce que la sortie du mélangeur est connectée à un filtre passe-bande selon les revendications 1 à 8 pour atténuer la fréquence (2OL).