Brevet FR3036231A1 — publié le 20161118

Résonateur et filtre accordable en fréquence comprenant au moins un résonateur L'invention porte sur un résonateur et un filtre accordable en fréquence comprenant au moins un résonateur. La présente invention s'applique donc à tout équipement hyperfréquence intégrant un ou plusieurs filtres planaires, tel un récepteur ou 10 un convertisseur de fréquences. Il n'existe pas de solution de filtre accordable efficace à ce jour, il est donc nécessaire d'avoir recours à différentes versions du même équipement pour couvrir tous les plans de fréquences. Cela rend complexe 15 la gestion industrielle de tels produits, car il est nécessaire d'avoir de multiples dossiers de fabrication. Dans tout convertisseur de fréquence, par exemple de 6 GHz vers 4 GHz ou de 14 GHz vers 12 GHz, une fonction de filtrage en sortie de 20 conversion est nécessaire afin d'éliminer les réponses parasites produites par l'élément de conversion. Dans la majorité des cas la bande passante de fréquences de sortie est découpée en sous-bande pour une meilleure efficacité de la fonction de filtrage, chaque sous-bande imposant alors un filtre physique différent. 25 Dans un filtre passe-bande passif et accordable électriquement, le maintien de la largeur de bande utile reste un problème pour les raisons suivantes : - la bande utile diminue par sous-couplage quand la fréquence décroit, à 30 l'inverse la bande utile augmente par sur-couplage quand la fréquence croit; - le facteur de qualité médiocre des éléments actifs d'accord affecte la bande utile du filtre quand la fréquence décroit, par sous-couplage. 3036231 2 Ces deux raisons combinées rendent à ce jour un tel dispositif inutilisable et donc inapplicable à la plupart des besoins de flexibilité en fréquence des convertisseurs. 5 La figure 1 représente un résonateur 1 de l'état de l'art, comprenant deux ports d'accès 2 et 3, et deux tronçons de ligne 4 et 5, reliant les deux ports d'accès 2 et 3, séparés par un élément commandé 6 à capacité variable. On appelle tronçon de ligne un tronçon de ligne résonante. Dans le domaine des hyperfréquences, il est connu d'utiliser les propriétés des lignes résonantes pour réaliser une fonction de filtrage. Le résonateur de base, tel que représenté schématiquement sur la figure 1, illustre un filtre d'ordre 1 (1 résonateur). La figure 2 illustre le principe d'un filtre d'ordre 1 (1 résonateur) initialement positionné à 16.5 GHz et que l'on déplace jusqu'à 13.5GHz en faisant varier la capacité. Ce déplacement de fréquence de filtrage est illustré par les trois courbes A1, A2 et A3. Ce déplacement de fréquence du filtre s'accompagne d'une diminution de la bande passante du résonateur, liée principalement à la variation de l'impédance en fonction de la fréquence induisant un effet de sous-couplage vers les basses fréquences. On appelle sous-couplage l'incapacité ou l'inefficacité à transférer de l'énergie électrique ou magnétique d'un segment d'un circuit vers un 25 autre. Le même problème se présente pour un filtre d'ordre supérieur réalisé en mettant en série une pluralité de résonateurs selon la figure 1. En généralisant à une fonction de filtrage d'ordre plus élevé on observe 30 strictement la même problématique, à savoir une forte diminution de la bande passante du filtre vers les basses fréquences. Pour maintenir une bande passante relative constante, le coefficient de couplage entre résonateurs adjacents doit être inversement proportionnel à la fréquence de fonctionnement du filtre. 35 3036231 3 La figure 3 illustre la réponse obtenue pour une fonction de filtrage d'ordre 2 en faisant varier les capacités des éléments commandés à capacité variable du circuit comprenant deus résonateurs de la figure 1. La bande utile ou bande passante du filtre diminue fortement quand la fréquence de filtrage 5 décroit, comme illustré par les trois courbes B1, B2 et B3. Un but de l'invention est de pallier les problèmes précédemment cités. 10 Il est proposé, selon un aspect de l'invention, un résonateur muni de deux ports d'accès et d'une boucle comprenant : une première demi-boucle comprenant deux lignes quart d'onde séparées par un élément commandé à capacité variable; et une deuxième demi-boucle comprenant une ligne demi onde formant 15 circuit de sur-couplage. Un tel résonateur permet de maintenir une bande utile ou bande passante de filtrage constante lorsque la fréquence de filtrage varie. On entend par sur-couplage la propriété à transférer en excès l'énergie 20 électrique ou magnétique d'un segment d'un circuit vers un autre. Dans un mode de réalisation, l'élément commandé à capacité variable comprend deux diodes à capacité variable montées tête-bêche. Un tel mode de réalisation de l'élément commandé à capacité variable permet une excitation du dispositif par injection de la commande en tension continue en son point milieu sans affecter les propriétés du circuit principal. Il est également proposé, selon un autre aspect de l'invention, un filtre accordable en fréquence comprenant un seul résonateur tel que précédemment décrit. 3036231 4 Un tel filtre accordable en fréquence comprenant un seul résonateur reste un dispositif efficace et simple à mettre en oeuvre quand la bande passante utile à traiter est faible ou réduite à une seule fréquence. 5 Il est également proposé, selon un autre aspect de l'invention, un filtre accordable en fréquence comprenant au moins deux résonateurs tel que précédemment décrit, connectés en série, de sorte que deux résonateurs consécutifs sont connectés par deux ports d'accès respectivement associés et un élément de couplage. 10 Un tel filtre accordable en fréquence comprenant au moins deux résonateurs permet une meilleure efficacité de filtrage en bande atténuée tout en maintenant les caractéristiques nécessaire en bande passante. Par exemple, le filtre accordable en fréquence comprend cinq 15 résonateurs. Un tel mode de réalisation, permet d'élargir la bande passante utile tout en conservant les caractéristiques de filtrage en bande atténuée. 20 Dans un mode de réalisation, l'élément de couplage est capacitif ou inductif. Selon un mode de réalisation, l'élément de couplage capacitif ou inductif comprend un tronçon de ligne de longueur électrique proche du quart 25 d'onde considéré comme inverseur ou transformateur d'impédance. Ainsi, dans une structure à plusieurs résonateurs l'action sur la longueur électrique de chaque tronçon permet une alternance des types de couplage tout en maintenant au même potentiel électrique les anodes des 30 diodes. L'invention sera mieux comprise à l'étude de quelques modes de réalisation décrits à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : 3036231 5 les figures 1 à 3 représentent schématiquement un résonateur et des variations de gains d'un tel résonateur, ainsi que des variations de gains d'un filtre comprenant deux tels résonateurs, selon l'état de l'art les figures 4 et 4b illustrent schématiquement un résonateur selon un 5 aspect de l'invention; la figure 5 représente schématiquement des variations de gains d'un filtre comprenant deux résonateurs de la figure 4b, selon un aspect de l'invention; la figure 6 représente un filtre comprenant 5 résonateurs de la figure 10 4b, selon un aspect de l'invention. Sur les différentes figures, les éléments ayant des références identiques sont identiques. 15 La figure 4a représente schématiquement un résonateur selon un aspect de l'invention. La figure 4a représente un résonateur 7 selon un aspect de l'invention, muni d'une première demi-boucle comprenant deux ports d'accès 20 2 et 3, et deux tronçons de ligne 4 et 5, reliant les deux ports d'accès 2 et 3, séparés par un élément commandé 6 à capacité variable. Le résonateur 7 comprend également une deuxième demi-boucle comprenant formant circuit de sur-couplage 8, réalisé par une ligne demi 25 onde 9. Le circuit de sur-couplage 8 permet alors de compenser l'effet de sous-couplage observé quand la fréquence centrale du filtre décroit. La figure 4b représente schématiquement un mode de réalisation 30 particulièrement avantageux du résonateur de la figure 4a. L'élément commandé 6 à capacité variable est ainsi réalisé au moyen de deux diodes 10 et 11 à capacité variable montées tête-bêche. Les deux diodes 10 et 11 sont commandées par une résistance variable 12 35 commandé par un port de commande 13. 3036231 6 La figure 5 représente la réponse d'un filtre idéal à deux résonateurs 7 de la figure 4b. Il apparaît clairement, sur la figure 5, que l'invention permet de garder constante la bande utile ou bande passante du 5 filtre quand la fréquence de filtrage est modifié par commande, comme illustré par les trois courbes Ci, 02 et C3. La figure 6 représente un mode de réalisation particulièrement pertinent de filtre 15 comprenant cinq résonateurs 7 de la figure 4b, reliés 10 entre eux par des éléments de couplage 14, en l'espèce inductifs, de type tronçon de ligne quart d'onde. Ainsi, dans une structure à plusieurs résonateurs 7, l'action sur la longueur électrique de chaque tronçon permet une alternance des types de 15 couplage tout en maintenant au même potentiel électrique les anodes des diodes 10, 11. REVENDICATIONS1. Résonateur (7) muni de deux ports d'accès (2, 3) et d'une boucle comprenant : - une première demi-boucle comprenant deux lignes quart d'onde (4, 5) séparées par un élément commandé (6) à capacité variable; et 10 une deuxième demi-boucle comprenant une ligne demi onde (9) formant circuit de sur-couplage (8). 2. Résonateur (7) selon la revendication 1, dans lequel l'élément commandé (6) à capacité variable comprend deux 15 diodes (10, 11) à capacité variable montées tête-bêche. 3. Filtre accordable en fréquence comprenant un seul résonateur (7) selon la revendication 1 ou 2. 20 4. Filtre accordable en fréquence (15) comprenant au moins deux résonateurs (7) selon la revendication 1 ou 2, connectés en série, de sorte que deux résonateurs (7) consécutifs sont connectés par deux ports d'accès (2, 3) respectivement associés et un élément de couplage (14). 25 5. Filtre accordable en fréquence (15) selon la revendication 4, dans lequel l'élément de couplage (14) est capacitif ou inductif. 30 6. Filtre accordable en fréquence (15) selon la revendication 5, dans lequel l'élément de couplage (14) capacitif ou inductif comprend un tronçon de ligne de longueur électrique du quart d'onde. 35 7. Filtre accordable en fréquence (15) selon l'une des revendications 4 à 6, comprenant cinq résonateurs.