Brevet FR2897987A1 — publié le 20070831

FILTRE PASSE BANDE HYPERFREQUENCES L'invention concerne un filtre passe bande hyperfréquences en technologie des lignes micro ruban sur un substrat isolant. Les filltres passe bande en technologie microbande (ou micro ruban) comportent habituellement des résonateurs en a,1/2, X1 étant la longueur d'onde correspondant à la fréquence centrale F1 du résonateur. La figure 1 a montre un exemple de filtre passe bande hyperfréquences de l'état de l'art basé sur ce type de technologie micro bande. La figure 1 b montre une coupe transversale du filtre de la figure 1 a selon AA'. Le filtre passe bande de la figure la comporte un substrat 10 en matériau diélectrique ayant une première face métallisée 12 sur laquelle sont gravées deux lignes micro ruban X1/2 en forme de U formant deux résonateurs adjacents R1, R2 à la fréquence centrale F1 des résonateurs et une deuxième face métallisée 14 séparée de la première face par le matériau diélectrique formant un plan de masse métallique. Les deux résonateurs R1 et R2 sont alignés parallèlement sur une partie droite dr d'une de leurs deux extrémités. Le filtre comporte en outre, sur la première face métallisée 12, une ligne micro ruban d'entrée 16 couplée à un des circuits résonnant R1 par son autre extrémité libre et une ligne micro ruban de sortie 18 couplée à l'autre circuit résonnant R2, par son autre extrémité libre. Ce type de filtre ayant plusieurs résonateurs en 2^,1/2 comporte l'inconvénient de présenter une faible rejection notamment des harmoniques 2 (F2) et 3 (F3) de la fréquence centrale F1 du résonateur. Une première solution pour atténuer ces harmoniques consiste à ajouter un filtre d'harmoniques en série avec le filtre passe bande ce qui se fait au détriment des pertes, de l'encombrement et du coût du filtre. Une autre solution pour améliorer l'atténuation du filtre pour ces harmoniques consiste à utiliser deux tronçons en 2^,1/4 en série pour réaliser le résonateur en x,1/2 et la mise en court-circuit à la masse des extrémités des deux tronçons en X1/4 connectés en série, donc au milieu de la ligne X1/2. Dans les filtres de l'état de l'art utilisant la technologie des lignes microbande, le court-circuit à la masse est réalisé par des vias (trous métallisés) reliant le point central de la ligne X1/2 située sur une des faces du substrat à l'autre face métallisée du substrat faisant office de masse. La figures 1 a et 1 b montrent des trous métallisés 22, 24 reliant à la masse les centres des lignes X1/2 des résonateurs R1 et R2 du filtre. Cette dernière solution impose une fabrication minutieuse du filtre car le moindre défaut sur un via rend le filtre inopérant voir la ligne X1/2 défectueuse. Pour palier aux inconvénients des filtres passe-bande en technologie des micro bandes de l'état de l'art, l'invention propose un filtre passe bande hyperfréquences de fréquence centrale de résonance F1 correspondant à la longue d'onde X1 comportant au moins un substrat en matériau diélectrique ayant une première face métallisée comportant des lignes micro ruban et une deuxième face métallisée, séparée de la première face par le matériau diélectrique, formant un plan de masse métallique et, parmi les lignes micro ruban de la première face métallisée : - des lignes micro ruban de longueur X1/2 formant une pluralité de circuits résonnants adjacents deux par deux ayant chacun la fréquence centrale de résonance F1, une partie des lignes de deux circuits résonnants adjacents étant alignées en parallèle sur une longueur prédéterminée pouvant être cornprise entre une valeur supérieure et une valeur inférieure à X1/4 ; - une ligne micro ruban d'entrée pour l'accès au filtre de signaux hyperfréquence à filtrer et une ligne micro ruban de sortie pour la sortie du 25 signal hyperfréquence filtré, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une ligne micro ruban de filtrage connectée en parallèle à au moins un des circuits résonnants du filtre pour atténuer au moins un des harmoniques de la fréquence centrale de résonance F1. 30 Dans une première réalisation du filtre selon l'invention produisant une atténuation de l'harmonique 2 (F2) de la fréquence centrale F1, X2 étant la longueur d'onde correspondant à l'harmonique F2, la ligne micro ruban de filtrage est de longueur électrique proche de X2/4 et est connectée à proximité du milieu de la ligne X1/2 formant le circuit résonnant du filtre. Dans une deuxième réalisation du filtre selon l'invention produisant une atténuation de l'harmonique 3 (F3) de la fréquence centrale F1 du filtre, X3 étant la longueur d'onde correspondant à l'harmonique F3 la ligne micro ruban de filtrage est de longueur électrique proche de X3/4 et est connectée à proximité du tiers de la ligne X1/2 par rapport à une de ses extrémités. Dans d'autres réalisations, le filtre passe bande selon l'invention comporte plusieurs lignes de filtrage (stubs), par harmonique, légèrement décalées en fréquence. L'idée dans cette invention est basée sur l'imbrication d'un filtre d'harmoniques dans le filtre passe bande par l'ajout de lignes en parallèle (ou stub en langue anglaise) sur les lignes x,1/2 formant les circuits résonnants du filtre passe bande. L'invention sera mieux comprise à l'aide d'exemples de réalisation 15 de filtres passe bande selon l'invention en référence aux figures annexées dans lesquelles : - la figure 1, déjà décrite, montre un exemple de filtre passe bande hyperfréquences de l'état de l'art en technologie micro bande ; - les figures 2a, 2b, 2c et 2d, représentent respectivement une 20 ligne en X1/2 formant un résonateur du filtre et les respectives variations d'impédance Z le long de la ligne aux différentes fréquences F1 (X1), 2.F1 (X1/2) et 3.F1 (X1/3) ; - les figures 3a, 3b, 3c et 3d montrent la ligne en X1/2 comportant une ligne de filtrage (stub); 25 - les figures 4a et 4b montrent une réalisation pratique d'un filtre passe bande selon l'invention ; - la figure 5 montre les caractéristiques de rejection du filtre selon l'invention. Les figures 2a, 2b, 2c et 2d, représentent respectivement une 30 ligne L1 en X1/2 formant un résonateur du filtre passe bande et les respectives variations d'impédance Z du résonateur le long de la ligne L1 aux fréquences F1, 2.F1 et 3.F1, X1 étant la longueur d'onde correspondant à la fréquence centrale F1 du résonateur. Pour la fréquence centrale F1, (figure 2a) l'impédance de la ligne L1 varie entre deux impédances d'un circuit ouvert (co) aux extrémités de la ligne X1/2 passant par un court-circuit (cc) au milieu m1 de la ligne. Pour la fréquence harmonique F2, (figure 2b) l'impédance de la ligne L1 varie entre deux impédances d'un circuit ouvert (co) aux extrémités de la ligne X1/2 (ou 2.X212 pour l'harmonique 2), le milieu ml de la ligne L1 présentant un circuit ouvert (co) pour cette harmonique F2. Pour la fréquence harmonique F3, (figures 2c et 2d) l'impédance de la ligne L1 varie entre deux impédances d'un circuit ouvert (co) aux extrémités de la ligne X1/2 (ou 3.X3/2 pour l'harmonique 3) l'impédance de la ligne L1 présentant un circuit ouvert (co) au premier m2 et deuxième m3 tiers de la longueur de la ligne L1 pour cette harmonique F3. Les figures 3a 3b et 3c montrent la ligne L1 en X1/2 comportant une ligne de filtrage L2 (stub) quart d'onde de l'harmonique F2 de longueur électrique X2/4 connectée en parallèle sur la ligne L1 en son milieu m1. Le stub L2 est une ligne ouverte à son extrémité libre Es et présente donc un circuit ouvert (co) à cette extrémité. L'impédance Z au milieu de la ligne X1/2 est équivalente à un court-circuit (cc) pour la fréquence F1 (figure 2a). En appliquant la théorie des lignes, le stub L2, de longueur électrique X2/4, transforme le circuit ouvert à son extrémité Es en un court circuit la fréquence de l'harmonique F2 au milieu m1 du tronçon de ligne X1/2 (figure 2b). Le stub L2 ne modifiera pas le comportement à la fréquence centrale F1 du filtre (cc). Par contre pour l'harmonique F2 l'impédance Z au milieu de la ligne X1/2 est équivalente à un circuit ouvert (co). Le stub L2 produira un court circuit pour cette harmonique F2. Cette idée permet, avec un filtre selon l'invention ayant le même encombrement que le filtre passe bande seul et ayant les mêmes niveaux de pertes et TOS, d'éviter la propagation de l'harmonique 2. Une idée similaire permet d'éliminer l'harmonique 3 en plaçant des stubs L3 quart d'onde de longueur électrique X3/4 ramenant un court circuit sur la ligne L1 pour l'harmonique F3 au tiers de la longueur de la ligne X1/2, soit à X3/2 (ou X1/6), X3 étant la longueur d'onde correspondant à l'harmonique F3. Un tel stub L3 quart d'onde est représenté sur la figure 3d. L'association des 2 stubs ouverts à leurs extrémités libres, de respectives longueurs électrique proches de 2,2/4 et X3/4, connectés en parallèle sur les lignes 2' /2 tel que décrit précédemment permet de supprimer les harmoniques F2 et F3 sans dégradation de performances du filtre. Chaque stub L2, L3 permet de rejeter une bande de fréquence relativement étroite. Pour élargir la bande de rejection de chacun des harmoniques et supprimer plus efficacement l'harmonique 2 et/ou 3 du signal à filtrer, le filtre comporte plusieurs lignes de filtrage (stubs), par harmonique, légèrement décalées en fréquence par rapport au quart d'onde de la respective fréquence harmonique. Les figures 4a et 4b montrent une réalisation pratique d'un filtre passe bande selon l'invention comportant des stubs de suppression des harmoniques 2 et 3 de la fréquence centrale du filtre. Le filtre comporte une entrée Ef de signaux hyperfréquences à filtrer et une sortie Sf de signaux filtrés. Le filtre passe bande de la figure 4a est réalisé en technologie dite technologie triplaque comportant deux substrats empilés, un premier substrat 30 et un second substrat 31 ayant respectivement, pour le premier substrat 30, une face métallisée extérieure 32 faisant office de plan de masse et une face métallisée intérieure 33 comportant des lignes micro ruban métalliques 34 formant des circuits résonnants du filtre passe bande et, pour le deuxième substrat 31, une autre face métallisée extérieur 36 faisant aussi office de plan de masse et une autre face intérieure 37 ne comportant pas de métallisation. Les deux substrats sont empilés par leurs faces intérieures 33, 37 formant un sandwich comportant les lignes micro ruban 34 entre les deux plans de masse 32, 36. Plus précisément, la figure 4a montre une vue en coupe transversale du filtre triplaque et la figure 4b une vue de la face intérieure 33 30 du filtre comportant les lignes micro ruban. Le filtre passe bande (voir figure 4b) comporte deux groupes de circuits résonnants en 0.5 Xg en forme de U, 2 g étant la longueur d'onde dans le circuit résonnant à la fréquence de résonance du filtre. Un premier groupe de circuits résonnants comportant un circuit 35 d'entrée R1 suivi des deux autres circuits R2 et R3. Les trois circuits résonnants R1, R2, R3 sont adjacents deux par deux et alignés parallèlement sur une partie droite dr d'une de leurs deux extrémités. Un deuxième groupe de circuits résonnants comporte un circuit de sortie R4 suivi d'un autre circuit R5, les deux autres circuits résonnants R4, R5 sont adjacents et alignés parallèlement sur une partie droite dr d'une de leurs deux extrémités. Les extrémités libres des circuits R3 et R5 des deux groupes sont couplées parallèlement à une ligne droite aussi en 0.5 Xg formant un autre circuit résonnant R6 de telle façon que l'entrée Ef et la sortie Sf des signaux hyperfréquences du filtre se trouvent dirigées vers un même côté du filtre. Cette configuration de réalisation du filtre permet de l'inscrire dans une surface proche d'un carré de 0.5 Xg de côté pour une surface minimale occupée par le filtre. Le filtre de la figure 4 comporte, en outre : - une ligne d'entrée Le connectée au niveau d'une partie droite de l'extrémité libre du circuit résonnant R1 d'entrée assurant l'application du signal à filtrer à l'entrée Ef du filtre ainsi que l'adaptation d'impédance du filtre à celle d'une source de signal connectée à l'entrée du filtre. - une ligne de sortie Ls connectée au niveau d'une partie droite de l'extrémité libre du circuit résonnant R4 de sortie assurant l'application du signal filtré par la sortie Sf du filtre à l'entrée d'une charge du filtre, ainsi que l'adaptation d'impédance du filtre à celle de la charge. Selon une principale caractéristique de l'invention le circuit comporte une première ligne de filtrage 50 de l'harmonique 2 de la fréquence de résonance du filtre, de longueur électrique proche de 418 (quart de la longueur d'onde de la fréquence de l'harmonique 2) connectée vers le milieu me2 du circuit résonnant d'entré R1 et une deuxième ligne de filtrage 52 de la même l'harmonique 2, de longueur électrique proche de Xg/8 connectée vers le milieu ms2 du circuit résonnant de sortie R4. Dans cette réalisation, les première 50 et deuxième 52 lignes de filtrage sont décalées respectivement de part et d'autre des milieux me2 et ms2 des circuits d'entrée R1 et de sortie R4 afin d'élargir la bande de rejection de cette deuxième harmonique de la fréquence centrale du filtre. Selon cette même principale caractéristique de l'invention le circuit comporte une troisième ligne de filtrage 56 de la l'harmonique 3 de la fréquence de résonance du filtre de longueur électrique proche de X9/12 (quart de la longueur d'onde de la fréquence de l'harmonique 3) connectée vers le tiers d'entrée me3 du circuit résonnant d'entrée R1 et une quatrième ligne de filtrage 58 de la même harmonique 3, de longueur électrique proche de X9/12 connectée vers le tiers de sortie ms3 du circuit résonnant de sortie R4. Dans cette réalisation de la figure 4b le circuit passe bande 10 s'inscrit dans une surface carrée proche de 0.5 4. La largeur des lignes wO des lignes des circuits résonnants est calculée de façon connue pour obtenir les impédances des lignes désirées. Dans cet exemple de réalisation, les parties droites parallèles des circuits en forme de U sont séparées d'environ une distance 2.wO. 15 La figure 5 montre les caractéristiques de rejection du filtre selon l'invention, en abscisses les fréquences d'essai du filtre et en ordonnées l'atténuation en dB. La courbe A de la figure 5 en trait pointillé montre le filtre passe bande sans les stubs présentant des faibles atténuations au tour des 20 fréquences harmoniques F2 et F3. La courbe B en trait plein montre le filtre passe bande selon l'invention montrant une forte atténuation des fréquences harmoniques. On constate que l'association des deux lignes de filtrage quart d'onde des harmoniques dans les circuits résonnants du filtre permet 25 d'atténuer fortement les harmoniques 2 et 3 sans dégradation des performances initiales du filtre passe bande sans les lignes de filtrage. Les lignes de suppression du deuxième harmonique F2, peuvent se placer au milieu de n'importe quel circuit résonnant du filtre. 30 REVENDICATIONS 1. Filtre passe bande hyperfréquences de fréquence centrale de résonance F1 correspondant à la longue d'onde X1 comportant au moins un substrat (10, 30, 31) en matériau diélectrique ayant une première face métallisée (12, 33) comportant des lignes micro ruban (16, 18, 34, Le, Ls) et une deuxième face métallisée (14, 32) séparée de la première face par le matériau diélectrique formant un plan de masse métallique et, parmi les lignes micro ruban de la première face métallisée : - des lignes micro ruban (34) de longueur X1/2 formant une pluralité de circuits résonnants adjacents (R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7) deux par deux ayant chacun la fréquence centrale de résonance F1, une partie des lignes de deux circuits résonnants adjacents étant alignées en parallèle sur une longueur prédéterminée (dr) pouvant être comprise entre une valeur supérieure et une valeur inférieure à X1/4 ; - une ligne micro ruban d'entrée (Le) pour l'accès au filtre de signaux 20 hyperfréquence à filtrer et une ligne micro ruban de sortie (Ls) pour la sortie du signal hyperfréquence filtré, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une ligne micro ruban de filtrage (stub) (L2, L3, 50, 52, 56, 58) connectée en parallèle à au moins un des circuits résonnants du filtre pour atténuer au moins un des harmoniques 25 de la fréquence centrale de résonance F1. 2. Filtre passe bande selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans une atténuation de l'harmonique 2 (F2) de la fréquence centrale F1, X2 étant la longueur d'onde correspondant à l'harmonique F2, la ligne micro 30 ruban de filtrage (L2, 50, 52) est de longueur électrique proche de X2/4 et est connectée à proximité du milieu de la ligne 24/2 formant le circuit résonnant du filtre. 3. Filtre passe bande selon l'une des revendications 1 ou 2, 35 caractérisé en ce que dans une atténuation de l'harmonique 3 (F3) de la fréquence centrale F1 du filtre, X3 étant la longueur d'onde correspondant àl'harmonique F3 la ligne micro ruban de filtrage (L3, 56, 58) est de longueur électrique proche de X3/4 et est connectée à proximité du tiers de la ligne X1/2 par rapport à une de ses extrémités. 4. Filtre passe bande selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le filtre comporte plusieurs lignes de filtrage (stubs) (L2, L3, 50, 52, 56, 58), par harmonique, légèrement décalées en fréquence. 5. Filtre passe bande selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est réalisé en technologie dite technologie triplaque comportant deux substrats empilés, un premier substrat (30) et un second substrat (31) ayant respectivement, pour le premier substrat (30), une face métallisée extérieure (32) faisant office de plan de masse et une face métallisée intérieure (33) comportant des lignes micro ruban métalliques (34) formant des circuits résonnants du filtre passe bande et, pour le deuxième substrat (31), une autre face métallisée extérieur (36) faisant aussi office de plan de masse et une autre face intérieure (3)7 ne comportant pas de métallisation, les deux substrats étant empilés par leurs faces intérieures (33, 37) formant un sandwich comportant les lignes micro ruban (34) entre les deux plans de masse (32, 36). 6. Filtre passe bande selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte deux groupes de circuits résonnants en 0.5 Xg en forme de U, a.g étant la longueur d'onde dans le circuit résonnant à la fréquence de résonance du filtre un premier groupe de circuits résonnants comportant un circuit d'entrée R1 suivi des deux autres circuits R2 et R3, les trois circuits résonnants R1, R2, R3 étant adjacents deux par deux et alignés parallèlement sur une partie droite (dr) d'une de leurs deux extrémités ; - un deuxième groupe de circuits résonnants comportant un circuit de sortie R4 suivi d'un autre circuit R5, les deux autres circuits résonnants R4, R5 étant adjacents et alignés parallèlement sur une partie droite (dr) d'une de leurs deux extrémités ; et en ce que les extrémités libres des circuits R3 et R5 des deux 35 groupes sont couplées parallèlement à une ligne droite aussi en 0.5 Xgformant un autre circuit résonnant R6 de telle façon qu'une entrée Ef et une sortie Sf de signaux hyperfréquences du filtre se trouvent dirigées vers un même côté du filtre. 7. Filtre passe bande selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte une première ligne de filtrage (50) de la l'harmonique 2 de la fréquence de résonance du filtre, de longueur électrique proche de Xg/8 connectée vers le milieu me2 du circuit résonnant d'entrée R1 et une deuxième ligne de filtrage (52) de la même l'harmonique 2, de longueur électrique proche de a,g/8 connectée vers le milieu ms2 du circuit résonnant de sortie R4. 8. Filtre passe bande selon la revendication 7, caractérisé en ce que les première (50) et deuxième (52) lignes de filtrage sont décalées respectivement de part et d'autre des milieux me2 et ms2 des circuits d'entrée R1 et de sortie R4 à fin d'élargir la bande de rejection de cette deuxième harmonique de la fréquence centrale du filtre. 9. Filtre passe bande selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le circuit comporte une troisième ligne de filtrage (56) de l'harmonique 3 de la fréquence de résonance du filtre de longueur électrique proche de Xg/12 connectée vers le tiers d'entrée me3 du circuit résonnant d'entrée R1 et une quatrième ligne de filtrage (58) de la même harmonique 3, de longueur électrique proche de Xg/12 connectée vers le tiers de sortie ms3 du circuit résonnant de sortie R4. 10. Filtre passe bande selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre : - une ligne d'entrée Le connectée au niveau d'une partie droite de l'extrémité libre du circuit résonnant R1 d'entrée assurant l'application du signal à filtrer à l'entrée Ef du filtre ainsi que l'adaptation d'impédance du filtre à celle de la source de signal connectée à l'entrée du filtre. - une ligne de sortie Ls connectée au niveau d'une partie droite de l'extrémité libre du circuit résonnant R4 de sortie assurant l'application dusignal filtré par une sortie Sf du filtre à l'entrée d'une charge du filtre, ainsi que l'adaptation d'impédance du filtre à celle de la charge. 11. Filtre passe bande selon l'une des revendications 6 à 10, 5 caractérisé en ce que le circuit passe bande s'inscrit dans une surface carrée proche de 0.5 )^.g. 10