Brevet FR2909239A1 — publié le 20080530

L'invention se rapporte à un filtre passe-bas actif sélectif et à une méthode pour améliorer la sélectivité d'un filtre passe-bas actif. Elle s'inscrit dans le cadre du projet Multi-Radio-Front-End (MRFE) pour la conception de terminaux fixes/mobiles multimodes, multistandards, intégrant par exemple des systèmes de téléphonie cellulaire (GSM, UMTS etc.), de réception de télévision numérique terrestre (DVB- H/T) et d'accès aux réseaux locaux (WLAN a/b/g). D'un point de vue technique, cette convergence de différents modes d'accès dans un seul objet communicant implique des problèmes de coexistence dus en particulier à la 10 proximité des bandes de fréquences d'opération de chacun des modes. La présente invention s'intéresse plus particulièrement à la coexistence des standards DVB-H/T et GSM pour laquelle, comme le montre la figure 1, il est clair que les signaux GSM émis dans la bande 890-915MHz vont certainement perturber et dégrader la réception DVB-T/H si aucun dispositif de filtrage n'est incorporé dans le système pour 15 isoler les 2 bandes. La spécification très sévère en terme de gabarit entraîne nécessairement l'utilisation d'un filtre passe-bas ultra sélectif. En effet, ce filtre doit posséder une fréquence de coupure supérieure ou égale à 862MHz et rejeter la bande GSM, de 890 à 915MHz 20 d'au moins 20dB. Selon les résultats d'une pré analyse, seule l'utilisation d'un filtre d'ordre 11 et possédant une réponse de type pseudo elliptique permet d'atteindre ces objectifs. Le réseau de ce filtre est représenté en figure 1. La synthèse de ce filtre amène 25 automatiquement à une structure de réseau symétrique. Celui-ci comprend : • 6 inductances de couplages : 2*L1, 2*L2, 2*L3 connectées en série entre la borne d'entrée E et la borne de sortie S ; • et 5 éléments résonants LC série : 2*Lrl /Crl , 2*Lr2/Cr2, 1 *Lr3/Cr3, intercalés entre les différentes inductances de couplage et la masse. Ces éléments LC 30 série résonnent à des fréquences qui sont très proche de la fréquence de coupure du filtre, et créent ainsi des zéros de transmission qui vont permettre d'augmenter de manière drastique la sélectivité du filtre. Une application de la méthode de synthèse de ce réseau préconisée à ce gabarit de filtrage amène aux valeurs des composants suivants : 2909239 2 • Inductances de couplage : L1=1.5 nH, L2=10nH, L3=9.1 nH • Eléments L/C série : Lrl =11 nH, Lr2=7.5nH, Lr3=6.8nH Cri= 2.2pF, Cr2=3pF, Cr3=3.3pF 5 Une remarque importante pour la suite concerne la fréquence de résonance des éléments L/C : On peut noter en effet que les résonateurs L/C qui permettent d'obtenir les zéros de transmission les plus proches de la fréquence de coupure sont situés en bout du réseau, en l'occurrence ici les 2 Lr1/Crl qui résonnent à la fréquence Fr1=1023MHz .Les 2 autres résonateurs L/C résonnent aux fréquences Fr2=1061 MHz et Fr3=1062MHz. La figure 2 montre la réponse en transmission simulée en considérant des composants L/C idéaux. Dans ce cas, on peut noter effectivement une fréquence de coupure Fc autour de 860MHz, représentée par le point ml, et une réjection de la bande GSM de plus de 40dB, représentée à partir du point m2. Les composants usuellement employés sont des composants CMS (pour composants montés en surface) tels que donnés par exemple par le fabricant Murata de la série LQW15 pour les inductances et de la série GRM15 pour les capacités. En réalité, si les éléments parasites sont pris en compte, les pertes d'insertion sont fortement dégradées au voisinage de Fc. Cette dégradation est due principalement à la résistance parasite série (de valeur courante de l'ordre de l ohm pour des inductances CMS bobinées) des inductances qui réduit le facteur de qualité de celles-ci et conséquemment les performances du filtre en terme de pertes d'insertion et de sélectivité. Sur la figure 2 qui montre les performances simulées du filtre en prenant en compte les éléments parasites des composants L/C du réseau, on note la dégradation des pertes d'insertion à Fc qui sont passées à plus de 13dB. L'invention vise à remédier à ces inconvénients. L'invention consiste en une méthode d'amélioration de la sélectivité d'un filtre passe-bas avec une fréquence de coupure Fc, formé par un réseau symétrique d'éléments résonnants LC associé à des inductances de couplage montés en série entre les ports d'entrée et de sortie. La méthode d'amélioration de la sélectivité comprend les étapes suivantes de : 2909239 3 - centrer l'élément résonnant à la fréquence la plus proche de la fréquence de coupure Fc au centre du réseau ; - insérer une résistance négative RN en série avec cet élément résonnant ; - optimiser les valeurs des composants des éléments résonnants LC du réseau 5 pour adapter le filtre dans la bande de fonctionnement. L'invention a l'avantage de permettre de résoudre la problématique de coexistence de standards DHV H/T et GSM. 10 L'invention consiste également en un filtre passe-bas actif sélectif de fréquence de coupure Fc formé par un réseau d'inductances L et de résonateurs LC. Il comprend au centre du réseau une résistance négative RN en série avec l'élément résonnant à la fréquence la plus proche de la fréquence de coupure Fc. Préférentiellement, la résistance négative a une valeur supérieure à la résistance 15 parasite de l'inductance de couplage. Selon une variante de l'invention, le filtre est d'ordre 11 et possède une réponse de type pseudo elliptique. 20 Il s'ensuit ainsi les avantages suivants : Grâce à l'utilisation d'une seule résistance négative, le filtre est peu encombrant, à faible coût, à faible consommation et grâce à une fonction stable électriquement, le filtre est insérable sans condition dans une chaîne de réception. 25 Les caractéristiques et avantages de l'invention mentionnée ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, faite en relation avec les dessins joints, dans lesquels : - la figure 1 déjà décrite, représente un filtre passe-bas selon l'état de la technique ; 30 - la figure 2 déjà décrite, correspond à la courbe de réponse simulée du filtre passe-bas en prenant en compte les éléments parasites ; - la figure 3 représente un réseau du filtre passe-bas actif comprenant des résistances négatives ; 2909239 4 - la figure 4 représente un réseau du filtre passe-bas actif comprenant une seule résistance négative en extrémité du réseau ; - la figure 5 représente un réseau du filtre passe-bas actif selon l'invention comprenant une seule résistance négative au centre du réseau ; 5 - la figure 6, représente la courbe de réponse simulée du filtre passe-bas actif selon l'invention ; - La figure 7 représente une topologie d'une résistance négative. Pour simplifier la description, les mêmes références seront utilisées dans ces dernières 10 figures pour désigner les éléments remplissant des fonctions identiques. Les résistances parasites les plus critiques sont celles des inductances Lr qui permettent de créer les zéros de transmission proche de Fc, et plus particulièrement Lrl qui mise en série avec Cri crée un zéro de transmission au plus près de Fc comme 15 il a été précisé précédemment. Le concept proposé ici, est basé sur l'utilisation d'une technologie de filtrage actif permettant, grâce à une réponse de type passe-bas pseudo-elliptique, de rejeter la bande parasite GSM transmise et de protéger ainsi toute la bande DVB de 470 à 862MHz d'une perturbation potentielle. 20 Un filtre actif se définit comme un filtre comprenant des composants actifs tels que principalement des transistors. Il est clair qu'un filtre actif, par rapport à un filtre passif, permet d'atteindre de meilleures performances en termes de pertes d'insertion et de sélectivité, grâce à la compensation possible des pertes inhérentes aux éléments 25 passifs. Cependant, les composants actifs dans les filtres entraînent un certain nombre de problèmes tels la stabilité électrique, le bruit du dispositif, les non linéarités des composants actifs et la consommation électrique. Dans le cas particulier du réseau passe-bas, les pertes des inductances sont 30 compensées en introduisant un circuit actif en série dont le but sera de créer une résistance négative qui viendra compenser la résistance parasite de celles-ci. Dans le cas extrême, si on veut retrouver les performances du filtre passe-bas idéal, il faudrait alors rajouter à chacun des éléments L/C une résistance négative, c'est-à-dire 2909239 5 pour notre filtre 11 pôles, il faudrait rajouter un total de 5 résistances RN1, RN2, RN3, RN4 et RN5 tel représenté par la figure 3. Mais le coût du filtre, son encombrement et sa consommation augmenteraient considérablement. 5 La figure 4 illustre une autre solution. Elle consiste à n'introduire qu'une seule résistance négative placée spécifiquement en série avec l'une des 2 inductances Lrl mise en série avec la capacité Cri et qui permet de créer le zéro de transmission le plus proche de Fc. De plus, en prenant une résistance négative RN1 de valeur plus élevée que celle de la résistance parasite seule de l'inductance, cette résistance permet 10 de compenser quasiment toutes les pertes du réseau au voisinage de la fréquence de coupure Fc. Par exemple une résistance négative RN de valeur --7ohms, conçue classiquement en utilisant une structure à 1 transistor ou à 2 transistors bipolaires, permet de compenser une valeur de la résistance parasite de ûlohm. 15 La figure 7 représente une topologie d'une telle résistance négative. Les ports 1 et 2 des transistors sont reliés aux bases des transistors. Le collecteur de chacun des transistors est relié à la base du transistor opposé. Une tension de polarisation est appliquée au point commun des émetteurs. De nombreux autres circuits permettent de simuler une résistance négative. 20 Les résultats de simulation montre que ce filtre est une source potentielle d'instabilité électrique, en particulier lorsque que celui-ci sera inséré dans la chaîne de réception DVB-H/T. En reprenant la structure initiale du réseau de filtrage telle qu'usuellement employée, en 25 particulier le placement des résonateurs LC au sein de ce réseau, c'est-à-dire en déplaçant un des résonateurs LC se trouvant en bout du réseau et résonnant à la fréquence la plus proche de la fréquence de coupure Fc du filtre, au centre du réseau et en insérant une résistance négative en série avec ce résonateur LC, on remédie de plus au problème d'instabilité. La valeur de cette résistance doit nécessairement être 30 supérieure à la résistance parasite d'une inductance seule afin de compenser les pertes de l'ensemble du réseau et les valeurs des autres composants L et C du réseau doivent être de nouveau optimisés afin de réadapter le filtre dans la bande de fonctionnement. La figure 5 illustre un tel filtre passe-bas actif comprenant une seule résistance négative au centre du réseau. Ce filtre passe-bas actif comporte 6 inductances de couplage en 2909239 6 série entre le port d'entrée Port1 et le port de sortie Port2. Les 5 éléments résonnants sont disposés tels qu'un des éléments résonnants LM/Cri résonant à la fréquence la plus proche de la fréquence de coupure Fc du filtre soit inséré au centre du filtre. Une résistance négative RN1 est insérée en série avec ce résonateur Lr1/Cri. 5 Les 2 éléments résonants Lr2/Cr2 sont disposés de part et d'autre de l'élément central tandis qu'aux extrémités du filtre sont reliés les éléments résonants Lr4/Cr4 et Lr3/Cr3. Les valeurs des éléments résonants sont ensuite optimisées de façon à atteindre les performances de sélectivité et d'adaptation souhaitées L'adjonction d'une seule résistance négative judicieusement placée permet de 10 compenser les résistances parasites des inductances les plus critiques, et une modification du réseau de filtrage initial tel qu'usuellement employé peut rendre le filtre inconditionnellement stable. La figure 6 représente la courbe de réponse simulée du filtre passe-bas actif selon 15 l'invention. Il apparaît que l'atténuation de la bande parasite GSM atteint plus de 40dB. Le point m2 de la courbe correspond à une atténuation de û 43,71 dB à une fréquence de 890MHz. Le point ml indique une perte de -0,33 dB à une fréquence de 860MHz .Les pertes d'insertion restent donc très faibles. Le dispositif de filtrage est entièrement stabilisé électriquement car de plus les 20 paramètres de réflexion simulés aux 2 ports du filtre sont négatifs. Le filtre obtenu possède des performances satisfaisantes tant en termes de pertes d'insertion dans la bande DVB-H/T que de réjection de la bande parasite GSM. Pour cette application particulière où la fréquence d'opération est relativement basse 25 ( REVENDICATIONS 1. Méthode d'amélioration de la sélectivité d'un filtre passe-bas avec une fréquence de coupure Fc, formé par un réseau d'éléments résonnants LC associé à des inductances de couplage montés en série entre les ports d'entrée et de sortie, caractérisée par les étapes suivantes : - centrer l'élément résonnant à la fréquence la plus proche de la fréquence de coupure Fc au centre du réseau ; - insérer une résistance négative RN en série avec cet élément résonnant, et - optimiser les valeurs des composants des éléments résonnants LC du réseau pour adapter le filtre dans la bande de fonctionnement et pour rejeter la bande parasite au niveau souhaité. 2. Méthode d'amélioration de la sélectivité d'un filtre passe-bas selon la revendication 1, caractérisée en ce que la valeur de la résistance négative est supérieure à celle de la résistance parasite de l'inductance de couplage. 3. Filtre passe-bas actif sélectif de fréquence de coupure Fc formé par un réseau d'inductances L et de résonnateurs LC, caractérisé en ce qu'il comprend au centre du réseau une résistance négative RN en série avec l'élément résonnant à la fréquence la plus proche de la fréquence de coupure Fc. 4. Filtre passe-bas actif sélectif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la résistance négative a une valeur supérieure à la résistance parasite de l'inductance de couplage. 5. Filtre passe-bas actif sélectif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le filtre est d'ordre 11 et possède une réponse de type pseudo elliptique.30