Brevet FR3059496A1 — publié le 20180601

FILTRE ACCORDABLE A INDUCTANCE VARIABLE L'invention concerne un filtre accordable à inductance variable. Elle est par exemple utilisée pour des émetteurs/récepteurs radios. Elle concerne aussi des filtres de puissance, très haute fréquence ou Very High Frequency, VHF, et ultra haute fréquence ou en anglo-saxon Ultra High Frequency, UHF. Le fonctionnement en cosite des émetteurs/récepteurs radios génère une dégradation dans le fonctionnement des postes radios, lorsqu'ils sont en situation de proximité entre un émetteur et un récepteur d'un autre réseau ceci, en raison du bruit hors bande émis par l'émetteur et/ou de la désensibilisation d'un récepteur par des émetteurs proches. Dans le domaine UHF et une partie de la bande VHF, on recherche une canalisation de largeur de bande fixe et donc des filtres cosite de largeur de bande passante et de réjection constantes avec la fréquence d'accord. Or, les filtres accordables sont « naturellement » à facteur de qualité Qfutre constant. Cela signifie que le filtre s'élargit proportionnellement avec la fréquence d'accord. La topologie des filtres accordables fait appel à des éléments résonnants constitués d'inductances ou de lignes de transmission (barreaux) 20 fixes. L'accord est réalisé au moyen de capacités variables mises en parallèle à une extrémité de l'inductance ou du barreau résonnant. Le problème est que le facteur de qualité ou la surtension du filtre est de la forme : Q filtre FréquenceCentrale / BandePassante 25 et d'autre part Qfiltre = ImpédanceCouplage / Impédance Interne (Impédancelnterne du résonnateur à la fréquence centrale). Comme on veut une bande passante constante, on en déduit : Qfiltre = k.FréquenceCentrale 30 ImpédanceCouplage = k' ImpédanceInterne.FréquenceCentrale 3059496 2 Comme dans la topologie classique des filtres, l'impédance interne du filtre est de la forme Là) (inductance fixe) ou Zo.tan8 Zo.fl fo, pour un barreau court), on en déduit : ImpédanceCouplage = k". (FréquenceCentrale)2. 5 Ceci est techniquement et physiquement difficile à réaliser, en respectant le critère d'une bonne proportionnalité et donc d'une bonne constance de la bande passante du filtre sur une large plage d'accord de la fréquence centrale. La figure 1 illustre un filtre accordable de forte puissance selon 10 l'art antérieur. Le filtre comporte deux résonateurs 10 constitués de barreaux ou d'inductances fixes 11 accordés par une banque de capacités commutées 12. La figure 2 illustre une variante de filtre accordable, comprenant une inductance de valeur fixe (constante) 20 et plusieurs capacités fixes 15 commutées 21i. Les capacités fixes commutées, présentant des valeurs étagées, sont toutes regroupées en bout de barreau ou inductance au point B et commutées par des diodes de type PIN 22 activées par un contrôle de diode 23. La valeur de l'inductance est fixe et l'impédance interne du filtre est proportionnelle à la fréquence d'accord. Malgré les avantages qu'ils procurent, les filtres selon l'art antérieur ne font qu'approximer la réponse recherchée du filtre du fait de la complexité, voire de l'impossibilité, de synthétiser l'impédance de couplage nécessaire. Certaines topologies de filtre font appel à des impédances accordables pour le couplage au détriment des pertes du filtre. Il existe donc un besoin de disposer d'un filtre présentant une largeur de bande passante et une bande de réjection constantes avec la fréquence d'accord. Le procédé selon l'invention consiste, notamment, à maintenir l'impédance interne du filtre constante ou pratiquement constante en fonction 30 de la fréquence d'accord Faccord au moyen de capacités commutées fixes, 3059496 dont les positions sont distribuées le long de l'inductance formant le résonateur et présentant des valeurs variables en fonction de leur position. L'invention concerne un filtre accordable comportant au moins deux résonateurs accordables, un résonateur comprenant au moins une 5 inductance ou ligne de transmission, ladite inductance ou ligne de transmission ayant une première extrémité connectée à la masse M et une deuxième extrémité couplée à un autre résonateur via une impédance de couplage et plusieurs capacités commutées caractérisé en ce que : - Ladite inductance ou ligne de transmission comporte plusieurs points 10 d'accès ou points de connexion distribués le long de ladite inductance permettant de connecter ou non une capacité commutée dont la valeur est définie en fonction de sa position sur l'inductance, - Les capacités de poids faibles sont situées près de l'extrémité de l'inductance reliée à la masse M. 15 Le nombre N de capacités et la ou les capacités à activer sont, par exemple, fixés en fonction du pas de variation & de fréquence et de la plage de fréquences de fonctionnement [Fmin, Fmax] du filtre. Les capacités sont, par exemple, reliées à des diodes PIN adaptées à réaliser leur commutation. 20 La position des points d'accès et les valeurs de capacité commutées peuvent être choisies afin d'obtenir pour le filtre une valeur d'impédance interne à la fréquence centrale Fc vue par le filtre à la deuxième extrémité de ladite inductance proche de l'impédance de couplage quasi constante. 25 La bande de fréquence est la bande VHF ou la bande UHF. Le filtre selon l'invention est utilisé par exemple dans un émetteur/récepteur radio. L'invention concerne aussi un procédé mis en oeuvre dans un filtre accordable selon l'invention fonctionnant dans une plage de fréquence [Fmin, Fmax] avec une fréquence d'accord Faccord, caractérisé en ce que : 3059496 4 - On définit le nombre N de capacités, leur position en fonction de la plage de fréquence et du pas de fréquence, - On choisit le nombre de capacités à commuter afin d'obtenir une largeur de bande passante constante et une bande de réjection 5 constante avec la fréquence d'accord. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés à titre illustratif, annexée des figures qui représentent : - Figure 1, une première architecture d'un filtre accordable selon l'art 10 antérieur, - Figure 2, la moitié d'un filtre accordable comprenant une banque de capacités commutées, et - Figure 3, une illustration d'un filtre selon l'invention. La figure 3 illustre un exemple de filtre selon l'invention dans 15 lequel les capacités sont réparties ou distribuées le long de l'inductance entre une première extrémité de l'inductance reliée à la masse et une deuxième extrémité reliée au reste du filtre. L'idée mise en oeuvre est de faire varier électriquement la valeur de l'inductance équivalente, simultanément avec la commutation des poids 20 capacitifs (capacités de valeurs variables en fonction de la position), afin de conserver une valeur de bande passante sensiblement constante et faire varier la fréquence selon un plan de fréquences [Fmin, Fmax] défini par une application donnée. Le plan de fréquences définit, par exemple, les différentes fréquences à utiliser et le pas de fréquence iF avec lequel on va 25 faire varier les fréquences. Pour construire l'architecture du filtre selon l'invention, on va donc maintenir l'impédance interne constante en fonction de la fréquence d'accord Faccord et pour cela rendre la valeur de l'inductance ou la longueur électrique du barreau variable avec la fréquence dans le sens suivant : 30 Basses fréquences d'accord - fortes valeurs d'inductance équivalentes, Hautes fréquences d'accord - faibles valeurs d'inductance équivalentes. 3059496 5 La figure 3 illustre un exemple d'architecture du filtre selon l'invention, sur laquelle seul un demi-élément résonateur du filtre est détaillé pour des raisons de simplification de lecture, le filtre fonctionnant dans une plage de fréquence [F,,i', Fmax]. La partie symétrique du filtre, deuxième 5 résonateur 40 comprend des éléments identiques à ceux décrits pour le résonateur 30 et sera déduite de la description qui va suivre, sans difficulté par l'homme du métier. Sur la figure 3, le résonateur 30 comporte plusieurs capacités commutées qui sont distribuées le long de l'inductance 31. Une première 10 extrémité 31A de l'inductance est raccordée à la masse M. Une deuxième extrémité 31B est raccordée, à l'aide d'une impédance de couplage 32 comme indiqué figure 1, à un autre résonateur 40 non détaillé pour des raisons de simplification. L'inductance comporte plusieurs points d'accès 31i ou points de connexion répartis sur sa longueur, les points d'accès servant à 15 la connexion des capacités commutées qui vont être mises en connexion en fonction des valeurs souhaitées. Le filtre comprend par exemple N capacités commutées 33i commandées par une diode PIN 34 reliée à une commande d'activation 35. Une capacité commutée 33i est positionnée en un point 31i de 20 l'inductance. Ce point peut être repéré par sa distance di comptée à partir d'une des extrémités 31A, 31B de l'inductance 31. Dans l'exemple, le point de connexion de la capacité est repéré par rapport à la deuxième extrémité 31B de l'inductance. Les capacités commutées sont réparties le long de l'inductance de 25 la manière suivante : les capacités de poids forts, correspondant aux basses fréquences d'accord, donc à une valeur d'inductance équivalente vue au point 31B élevée, sont disposées plus loin de la masse que les capacités de poids faibles, correspondant aux hautes fréquences qui sont disposées près de la masse vers la première extrémité 31A de l'inductance. 30 La valeur de l'inductance équivalente Lequi, va varier électriquement, en jouant sur le nombre de capacités commutées 3059496 6 connectées et le choix de leur position le long de l'inductance. L'idée sera de connecter certaines des capacités Ci. En faisant varier la valeur de l'inductance et aussi la valeur de la capacité totale du filtre (correspondant à l'ensemble des capacités commutées connectées pour une configuration 5 donnée), il est possible de conserver pour le filtre une impédance constante en fonction de la fréquence d'accord et de ce fait une valeur de bande passante constante pour le filtre. Le nombre N de capacités commutées est, par exemple, choisi en fonction du pas de fréquence 15f à explorer dans la bande de fréquence [Fmin, 10 Fmax] pour une application donnée. Les valeurs et la position des capacités Ci mises en fonction par commutation sont choisies en fonction des valeurs de fréquence désirées dans la bande d'accord du filtre. La banque de capacités est répartie sur toute la longueur de l'inductance donnant par commutation des capacités, 15 l'équivalent d'une inductance variable en fréquence par variation de la longueur électrique Le positionnement, distance di d'une capacité par rapport à une des extrémités de l'inductance participe à la définition de la valeur de l'inductance L. Par exemple, en activant la capacité 331, on définit une valeur 20 d'inductance L1 égale à la valeur totale de l'inductance - la valeur d'inductance correspondant à di. Le nombre et le choix des capacités commutées activées en fonction de leur emplacement sur l'inductance sont fonction par exemple de la valeur de fréquence à obtenir et de la résolution souhaitée en fréquence. 25 En première approximation, on veut une impédance constante, ce qui induit que proportionnelle à proportionnelle à doit être constant et donc que l'inductance est la capacité. On aura la Fréquence Centrale Fc du filtre 1c-IL1 et donc Ci doit être proportionnel à l'inverse de la Li Fi 3059496 7 fréquence centrale, ainsi que Li, qui est la valeur d'inductance équivalente au point 31g. L'exemple chiffré qui suit est donné afin d'illustrer la façon de définir les caractéristiques des capacités, à titre d'exemple. Le résultat sera 5 affiné par simulation selon des méthodes connues de l'homme du métier. Le nombre de capacités commutées est déterminé en première approximation par df/f = résolution du filtre (à la fréquence la plus élevée) = 1 / 2", où N est le nombre de capacités en première approximation étagées de deux en deux en valeurs. Par exemple, si à 500 MHz un pas de 0.5 MHz 10 est recherché, il faut au moins 1024 valeurs de capacités soit 10 bit / 10 valeurs distinctes de capacités étagées de deux en deux. Selon une première variante de réalisation, un point d'accès pour une capacité peut être disposé tous les demi-tours de l'inductance lorsque cette dernière se présente sous la forme d'une bobine. 15 Les explications qui ont été données s'appliquent dans des filtres comprenant une ligne de transmission « courte » devant la longueur d'onde 2/4, la ligne pouvant être modélisée par une self pour les basses fréquences. Le filtre accordable selon la présente invention offre notamment les avantages suivants : 20 - Une réponse à bande constante naturelle sans approximation, - Une constante de la réponse du filtre, bande passante et réjection, avec la fréquence d'accord, - Une possibilité d'optimiser le filtre, sans compromis, sur de larges bandes d'accord. 25 REVENDICATIONS1 - Filtre accordable comportant au moins deux résonateurs accordables (30, 40), un résonateur comprenant au moins une inductance ou ligne de transmission (31), ladite inductance ou ligne de transmission ayant une première extrémité (31A) connectée à la masse M et une deuxième extrémité (31B) couplée à un autre résonateur via une impédance de couplage (32), et plusieurs capacités commutées (33i) caractérisé en ce que : - Ladite inductance ou ligne de transmission (31) comporte plusieurs points d'accès (31i) ou points de connexion distribués le long de ladite inductance (31) permettant de connecter ou non une capacité commutée (33i) dont la valeur est définie en fonction de sa position sur l'inductance, - Les capacités de poids faibles sont situées près de l'extrémité de l'inductance reliée à la masse M. 2 - Filtre accordable selon la revendication 1 caractérisé en ce que le nombre N de capacités et la ou les capacités à activer sont fixés en fonction du pas de variation & de fréquence et de la plage de fonctionnement [Fmin, Fmax]. 3 - Filtre accordable selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte une diode PIN (34) reliée à une capacité commutée, ladite diode étant adaptée à commuter ladite capacité commutée sur 25 réception d'une commande de commutation (35). 4 - Filtre accordable selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la position des points d'accès et les valeurs de capacité commutées sont choisies afin d'obtenir pour le filtre une valeur d'impédance 30 interne à la fréquence centrale Fc vue par le filtre à la deuxième extrémité 3059496 9 (31B) de ladite inductance proche de l'impédance de couplage (32) quasi constante. 5 - Filtre accordable selon l'une des revendications précédentes caractérisé 5 en ce que la bande de fréquence de fonctionnement est la bande Très Haute Fréquence VHF. 6 - Filtre accordable selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la bande de fréquence de fonctionnement est la bande Ultra Haute 10 Fréquence UHF. 7 - Emetteur/récepteur radio caractérisé en ce qu'il comporte un ou plusieurs filtres accordables selon l'une des revendications précédentes. 15 8 - Procédé mis en oeuvre dans un filtre accordable fonctionnant dans une plage de fréquence [Fmin, Fmax] avec une fréquence d'accord Faccord selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que : - On définit le nombre N de capacités, leur position en fonction de la plage de fréquence et du pas de fréquence, 20 - On choisit le nombre de capacités à commuter afin d'obtenir une largeur de bande passante constante et une bande de réjection constante avec la fréquence d'accord.25