CA2031076A1 - Filtre eliminateur de bande pour guide d'ondes hyperfrequences - Google Patents

Abstract

: FILTRE ELIMINATEUR DE BANDE POUR GUIDE D'ONDES HYPERFREQUENCES. L'invention concerne un filtre pour éliminer une bande de fréquences, en laissant passer une autre bande de fréquences avec un minimum de perturbations. Un exemple de réalisation comporte : - un guide d'ondes (11); - au moins une ligne coaxiale court-circuitée comportant un conducteur intérieur (17) et d'un conducteur extérieur (19), le conducteur intérieur (17) étant une tige conductrice prolongeant une vis (12), et le conducteur extérieur étant un trou fileté (19) qui est percé dans la paroi du guide d'ondes (11). La vis (12) constitue un court-circuit réglable. La ligne coaxiale court-circuitée a une longueur légèrement inférieure à un quart de la longueur d'onde correspondant à la fréquence centrale de la bande à éliminer, pour constituer une susceptance inductive. L'extrémité du conducteur intérieur (17) dépasse légèrement dans le guide d'ondes (11), pour constituer une susceptance capacitive qui est reliée à l'extrémité de la ligne coaxiale pour constituer un résonateur accordé sur la fréquence centrale de la bande à éliminer. Application à la réalisation de stations terriennes d'émissionréception. FIGURE A PUBLIER: Figure 3.

Description

203~076 Filtre éiiminateur de bande pour guide d'ondes hyperfréquences.
L'invention concerne un filtre éliminateur de bande pour guide d'ondes hyperfréquences. Dans un système de transmission par micro-ondes, il est souvent nécessaire d'affaiblir une bande de fréquences sans affaiblir une autre bande de fréquences voisine.
Par exemple, dans une tête d'émission-réception, la séparation des ondes émises et des ondes reSues est assurée par un écart de fré-quence et par un croisement des polarisations, mais il est néan-moins nécessaire d'atténuer les ondes émises arrivant sur le récep-teur, pour éviter des phénomènes de saturation, de battements indé-sirables, etc...
Il est connu de réaliser un filtre éliminateur de bande constitué d'au moins une cavité résonnante couplée à un guide d'on-des par un iris. Pour atténuer suffisamment la bande de fréquences à éliminer, il est classique de multiplier le nombre de cavités couplées au tronson de guide. Ces cavités sont séparées d'un nombre impair de quarts de la longueur d'onde correspondant à la fréquence centrale de la bande à laisser passer sans atténuation. Lorsque le guide a une section rectangulaire, les cavités sont disposées sur au moins l'un des grands cô'és du guide, et éventuellemnt sur les deux côtés, pour multiplier le nombre de cavités en minimisant l'encombrement. Cependant ce type de filtre éliminateur de bande est très encombrant, et coûteux. I1 est donc particuli~rement mal adapté pour r~aliser des stations à faible capacité, d~vant avoir un faible coût, et dans lesquelles il est souhaitable d'intégrer en un seul bo~tier le dispositif d'émission et le dispositif de récep-tion hyperfréquences.
Le but de l'invention est de proposer un filtre élimina-teur de bande pour guide d'ondes, dont la réalisation soit peu coû~
teuse et dont l'encombrement soit suffisamment faible pour permet-tre son intégration dans une tête d'émission-réception d'une sta-tion à faible capacité. L'objet de l'invention est un filtre élimi-nateur de bande comportant au moins un résonateur constitué d'un élément à susceptance inductive et d'un élément à susceptance capa-35 citive, peu encombrants et faciles à réaliser, le premier étant -.. . : ~ ,, . .:

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constitué d'une ligne coaxiale court-circuitée, et le second étant constitué d'un conducteur de faible longueur plongeant dans le gui-de d'ondes, et qui prolonge le conducteur central de la ligne.
Selon l'invention, un filtre éliminateur de bande pour guide d'ondes hyperfréquences, comportant :
- un guide d'ondes;
- au moins une ligne coaxiale court-circuitée comportant un conducteur intérieur et un conducteur extérieur coaxiaux; le con ducteur intérieur ayant une longueur égale à un multiple impair du 10 quart de la longueur d'onde correspondant à la fréquence centrale d'une bande de fréquences à éliminer, et plongeant dans le tronSon de guide d'ondes pour être couplé au champ électrique; et le conducteur extérieur ayant une longueur inférieure au dit multiple;
est caractérisé en ce que le conducteur extérieur est constitué, au 15 moins en partie, par un trou cylindrique fileté percé dans une paroi du guide d'ondes, et dont la longueur électrique est ajustable par un court-circuit vissable dans ledit troi fileté.
Selon un premier mode de r6alisation du filtre selon l'inven-tion, le conducteur intérieur comporte une vis en métal, vissée 20 dans le trou fileté; cette vls comportant un prolongement cylindri-que ayant le même axe de symétrie de révolution que la vis mais ayant un diamètre plus petit. La partie du trou fileté qui n'est pas occupée par la vis constltue un conducteur extérieur pour La ligne coaxlale, sllors que lo prolongement ds la vl~ constitue un conducteur int6rleur, et que la vis elle-même constltue un cour-clrcuit ~ l'extrémité de la llgne coaxiale.
Ce mode de réallsation est très simple, car il suffit de modi-fior une vis classique en laiton, en enlevant du métal au moyen d'un tour, pour constituer un prolongement ayant une longueur égale 30 à un multiple impair du quart de la longueur d'onde correspondant à
la fréquence centrale de la bande à éliminer.
Selon un autre mode de réalisation, la ligne coaxiale court-circuitée comporte d'une douille cylindrique filetée extérieurement, lisse intérieurement, obtur6e ~ une extrémité par un plan conducteur constituant un court-circuit et portant un 2~3~0~

conducteur cylindrique coaxial constituant le conducteur intérieur.
La douille est vissée dans le trou fileté.
Ce mode de réalisation est légèrement plus complexe car une telle douille ne peut être fabriquée en modifiant une vis. Par con-tre, il a l'avantage de permettre l'utilisation d'un tronson deguide d'ondes ayant des parois plus minces.
Les deux modes de réalisation présentent l'avantage d'être bien moins coûteux et bien moins encombrants que les filtres clas-siques, pour un nombre de résonateurs donné.
L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques appara~tront à l'aide de la description ci-dessous et des figures l'accompagnant :
- les rigures 1 et 2 illustrent le fonctionnement du filtre selon l'invention;
- les figures 3 et 4 représentent schématiquement un premier exemple de réalisation du filtre selon l'invention;
- la figure 5 représente schématiquement un deuxième exemple de réalisation comportant plusieurs étages de filtrage;
- la figure 6 représente le graphe de l'atténuation et le gra-20 phe du taux d'ondes stationnaires, pour le deuxième exemple de réa-lisation du filtre selon l'invention;
- les figurel3 7 et 8 représentent un troisième exemple de réa-lisation;
- la figure !3 représente ~chématiquement un quatrlème exemple de réalil3ation pour un guide d'ondel3 à section circulaire;
- la figure L0 représente un cinquième exemple de réalisation du filtre selon l'invention, combiné avec une transition câble coa-xial-gulde d'ondes;
Il est connu qu'un barreau m~tallique faiblement enfoncé dans 30 un guide d'ondes présente une susceptance capacitive qui cro~t avec l'enfoncement, devient infinie, et change de signe pour un enfonce-ment voisin du quart de la longueur d'onde. Au-delà de cette valeur, la susceptance est inductive et d~cro~t ~usqu'~ ce que le barreau touche la paroi du guide d'onde qui est opposée à la paroi 35 dans laquelle le barreau est enfonc~.
La figure 1 représente schématiquement un exemple connu de - ~

203~-76 réalisation d'une susceptance capacitive réglable. Il comporte un guide d'ondes l dans lequel est enfoncé une vis métallique 2 qui est vissée dans un trou fileté 5 situé dans le plan de symétrie du tronçon du guide 1. La vis 2 comporte une fente 3 permettant de la visser ou de la dévisser pour ajuster l'enfoncement, de telle sorte que l'extrémité 6 de la vis dépasse légèrement à l'intérieur du guide d'ondes 1. La valeur de la susceptance est réglée en vissant ou en dévissant la vis 2, puis celle-cl est immobilisée au moyen d'un écrou 4 vissé sur la vis 2 et serré contre la surface externe du guide d'ondes.
Par ailleurs, il est connu qu'une ligne coaxiale court-circuitée à une extrémité présente, à l'autre extrémité, une susceptance inductive lorsque la longueur l de la ligne est infé-rieure au quart de la longueur d'onde ~ ou légèrement inférieure à
un multiple impair du quart de la longueur d'onde.
La figure 2 représente schématiquement une ligne coaxiale court-circuitée comportant un conducteur intérieur 7 et un conduc-teur extérieur 8 ayant chacun une forme cylindrique à section circulaire. Le court-circuit est constitué par un plan métallique 9 reliant les conducteurs 7 et 8 à une extrémité de la ligne. La sus-ceptance de cette ligne est réglable en faisant varier la longueur de la ligne.
L'lnvention a consisté à comblner ce9 deux moyens connus pour constituer un résonateur éliminant une bande de fréquences.
Mais ces moyens ne peuvent pas être combinés n'importe comment, sous peine de causer une pertubation importante de la propagation des fréquences à laisser passer.
Les figures 3 et 4 représentent un premier exemple de réa-lisation du filtre selon l'invention, comportant un seul résonateur 30 et un guide d'ondes à section rectangulaire. Une ligne coaxiale court-circuitée est constituée par un trou fileté 19 et par une vis 12 qui est représentée en coupe sur la figure 4. Le trou 19 est percé dans le plus grand côté du guide 11, dans le plan de symétrie de celui-ci.
La vis 12 comporte : une fente 13 pour la visser ou la dé-203~0'~

visser au moyen d'un tournevis; une partie filetée 14 munie d~un filetage 15 correspondant au filetage du trou l9, et une partie lisse 17 ayant une forme cylindrique à section circulaire ayant le meme axe de symétrie YY' que la partie 14, et prolongeant cette dernière. La partie 17 a une longueur égale à un multiple impair du quart de la longueur d'onde correspondant à la fréquence centrale de la bande de fréquences à éliminer. Dans cet exemple, elle est égale exactement à un quart de longueur d'onde. La partie 17 cons-titue le conducteur intérieur d'une ligne coaxiale à section circu-laire, et constitue un barreau plongeant dans le guide 11. Le con-ducteur extérieur de la ligne coaxiale est constitué par le trou fileté l9, dans la partie non occupée par la vis 12. La longueur de la partie non occupée du -trou fileté 19 est légèrement inférieure à un quart de longueur et présente une susceptance inductive.
A la jonction de parties 14 et 17, un épaulement 16 cons-titue un plan conducteur court-circuitant l'extrémité de la ligne coaxiale. La longueur du conducteur extérieur de cette ligne est réglée en vissant ou en dévissant la vis 12. Le réglage est tel que la longueur de la ligne est légèrement inférieure à un quart de longueur d'onde, par conséquent une portion de la partie 17 dépasse à l'intérieur du guide 11 et présente une susceptance capacltive dont la valeur dél~end aussi de la position de la vis 12. Un écrou 18 est vissé sur la vis 12, et est serré sur la surface externo du guide d'ondes, pour immobiliser la vis 12 après qu'elle ait été
réglée.
Il est à remarquer que l'extrémité de la partie 17 plonge dans le guide 11 ~ l'endroit où le champ électrique E est maximal.
Son dépassement dans le guide est faible, ce qui évite de perturber beaucoup la propagation des ondes dan6 le guide ll.
Le guide ll peut être réalisé de manière très classique par extrusion d'un alliage d'aluminium. L'épaisseur de la paroi doit être suffisante pour que la partie non occupée du trou fileté
l9 puisse avoir une longueur voisine du quart de la longueur d'onde correspondant à la fréquence centrale de la bande à éliminer.
La vis 12 peut être réalisée en usinant une vis classique , .
- ' .

.

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en laiton, pour réduire son diamètre sur une partie de sa longueur et constituer un épaulement 16. Elle peut éventuellement être re-couverte d'un dépot électrolytique classique, terminé par une cou-che d'or. La réalisation du trou fileté 19 et de la vis 12 sont donc d'une très grande simplicité par rapport à la réalisation des cavités couplées par un iris, que comportent les filtres classiques D'autre part, l'encombrement de la vis 12 est beaucoup plus faible que l'encombrement d'une cavité couplée par un iris.
Il est envisageable de juxtaposer plusieurs filtres tel que celui représenté sur la figure 3, pour constituer un filtre procurant une plus 8rande atténuation de la bande de fréquences à
éliminer. Un tel filtre peut comporter une pluralité de lignes coa-xiales circuitées, identiques, alignées dans un plan de symétrie du guide, où le champ électrique est maximal. Elles sont espacées d'un nombre impair de quarts de la longueur d'onde correspondant à la fréquence centrale de la bande à laisser passer.
La figure 5 représente schématiquement un deuxième exemple de réalisation du filtre selon l'invention, comportant 5 résona-teurs analogues à celui décrit précédemment. Trois résonateurs, comportant des vis 21 à 23, sont situés sur une première ligne et deux résonateurs, comportant deux vis 24 et 25, sont situés sur une seconde ligne, ces deux lignes étant symétriques par rapport à
l'axe XX' de symétrie du uide d'ondes 27. Ce~ deux lignes sont si-tuées dans un plan de symétrie du guide d'ondes 27, ou le vecteur champ électrique E est maximal.
Sur la première ligne, de m~me que sur la seconde ligne, deux résonateurs successifs sont espacés d'une demi-longueur d'onde ~de la fréquence centrale d'une bande de fréquences à
laisaer passer. Les résonateurs situés sur la première ligne sont décalés d'un quart de longueur d'onde par rapport aux résonateurs situés sur la seconde ligne. La vis 24 est située à mi- distance entre les vis 21 et 22. La vis 25 est située à mi- distance entre les vis 22 et 23. Cette disposition des résonateurs fournit une fonction de transfert à très faible atténuation pour les fréquences à laisser passer; et une fonction de transfert à atténuation 2~3~7~`

proportionnelle au nombre de résonateurs, pour les fréquences à
éliminer. Dans cet exemple, les vis 21 à 25 ont un dia~ètre de 3 millimètres qui est réduit à 0,63 millimètres dans la partie 17 constituant le conducteur intérieur de la ligne coaxiale. Cette partie 17 a une longueur de 5,05 millimètres. Avec de telles dimensions, la ligne coaxiale a une impédance caractéristique de 96 ohms. La valeur de l'impédance caractéristique de la ligne coaxiale détermine en partie la valeur du couplage entre la ligne coaxiale et le guide d'ondes; et détermine le facteur de surtension du résonateur, autrement dit détermine l'atténuation et la largeur de la bande atténuée. L'impédance caractéristique de la ligne coaxiale est donnée par la formule :
Zc = 138. log - -a où b est le diamètre interne du conducteur extérieur de la ligne coaxiale et où a est le diamètre du conducteur intérieur.
Pour obtenir un couplage plus fort ou un coéfficient de surtension maximal, l'impédance caractérisque de la ligne coaxiale peut être comprise entre 60 et lOO_nL .
La figure 6 représente le graphe G de l'atténuation et le graphe R du taux d'ondes stationnalres pour l'exemple de réalisa-tion représenté Elur la figure 5, utilisé pour éliminor la bande de fréquences BA, de 14 à 14,5 GHz, et pour laisser passer la bande de fr~quences BP de 10,7 à 12,75 GHz. Il apparait que l'att~nuation de 25 la bande de 14 à 14,5 GHz est supérieure à 20 dB et que le taux d'ondes stationnaires dans la bande de 10,7 à 12,75 Ghz, exprimé en valeur absolue, est inférieur à 1,15, alors que les pertes d'inser-tion sont inf~rieures a 0,2 dB. Ces chiffres sont à comparer aux performances d'un filtre classique constitué de cinq cavités cou-plées à un guide d'ondes par des iris. Un filtre classique procure une atténuation, de la bande à éliminer, supér-ieure à 50 dB, et un taux d'ondes stationnaires, dans la bande passante, inférieur à
1,05; avec des pertes d'insertion inférieures à 0,05 dB. Pour un même nombre de résonateurs, le filtre selon l'invention a donc des performances plus modestes, mais par contre le prix de la réalisa-203~L~7~

tion est environ 3 à 4 fois plus petit, et l'encombrement est beau-coup diminué.
L'invent,ion ne se limite pas aux exemples décrits ci-dessùs. De nombreuses variantes sont à la portée de l'homme de l'art, en ce qui concerne la réalisation de la ligne coaxiale cons-tituant le résonateur et en ce qui concerne son intégration à un guide d'ondes d'un dispositif d'émission-réception par micro-ondes.
Les figure 7 et 8 représentent un troisième exemple de réalisation d'un filtre selon l'invention. Cet exemple comporte un seul résonateur constitué essentiellement par une douille 32 vissée dans un trou fileté 39 qui est percé dans la plus grande paroi d'un guide 31 à section rectangulaire. La figure 8 représente la douille 32 vue en coupe. L'axe de symétrie ZZ' de la douille 32 est situé
dans le plan de symetrie du guide 31. La surface extérieure de la douille 32 comporte un filetage 35 sur toute sa longueur. A l'ex-trémité, de la douille 32, située à l'extérieur du guide 31, une fente 34 permet de visser ou de dévisser la douille 32 dans le trou 39. Un écrou 38 vissé sur la douille 32, permet d'immobiliser la douille 32 après avoir réglé sa position pour obtenir l'accord sur la fr~quence centrale de la bande de fréquences ~ éliminer.
La douille 32 est creuse. Son intérieur a une surface cy-lindrique lisse 36 et il contient une tige 37 ayant une forme cy-lindrique dont l'axe de symétrie de r~volution est confondu avec l'axe de symétrie de révolution ZZ' de la douille 32. Le diamètre de la tige 37 est inférieur au diamètre intérieur de la douille 32, et sa longueur est égale à un nombre impair de quarts de la lon-gueur d'onde correspondant à la fréquence centrale de la bande à
éliminer~ Dans cet exemple, la longueur de la tige 37 est égale à
un quart de longueur d'onde. La longueur de la tige 37 est supé-rieur0 à la profondeur de la douille 32 de telle sorte que la tige37 dépa~se à l'embouchure de la douille.
Lorsque la douille 32 est mise en place dans le trou file-té 39, l'intérieur de la douille et une partie libre du trou fileté
39 constituent le conducteur extérieur d'une ligne coaxiale; alors que la tige 37 constitue un conducteur intérieur de cette ligne et ~3~7~

que l'extrémité de la tige 37 constitue un plongeur pénétrant dans le guide d'ondes 31 pour constituer une susceptance capacitive re-liée à l'extrémité de la ligne coaxiale. Le fond 33 de la douille 32 a une surface plane, orthogonale à l'axe de symétrie ZZ', et constitue un court-circuit à l'autre extrémité de ligne coaxiale.
La longueur de la douille 32 est inférieure à un quart de longueur d'onde de telle sorte que la douille ne dépasse pas à l'intérieur du guide 31, et qu'une partie du trou fileté 39 n'est pas occupée par la douille 32 et constitue une partie de la ligne coaxiale.
Comme il apparaît en comparant les figures 3 et 7, le troisième exemple de réalisation permet d'utiliser un tronçon de guide 31 ayant une paroi d'épaisseur inférieure à la longueur de la ligne coaxiale à réaliser, alors que le premier exemple de réalisa-tion nécessite un guide d'ondes ayant une épaisseur de paroi supé-rieure à la longueur de la ligne coaxiale à réaliser.
La figure 9 représente un quatrième exemple de réalisation d'un filtre selon l'invention, comportant un résonateur 42 consti-tué par une douille, analogue à la douille 32 décrite décrite pré-cédemment, vissée dans un trou fileté 43 qui est percé dans la pa-roi d'un guide d'ondes 41 à section circulaire. Le conducteur 44 dela ligne coaxiale court-circuitée a son grand axe qui passe par le centre du guide et qui est parallèle au champ électrique E des on-des à éliminer.
La figure 10 représente un clnquième exemple de réalisa-tion d'un filtre selon l'invention, qui est combiné à une transi-tion câble coaxial-guide d'ondes. Cette transition comporte un gui-de d'ondes 49, à section rectangulaire, obturé par une plaque mé-tallique 51; et comporte une antenne 50 plongeant dans le guide 49.
L'antenne 50 est reliée au conducteur central d'un câble coaxial S2 par un connecteur coaxial 53. L'antenne 50 passe par un trou 54 percé dans la paroi du guide 49, sur son plus grand côté, et dans son plan de symétrie. Cette transition constitue aussi un filtre éliminateur de bande grâce à une pluralité de résonateurs consti-tuées par des douilles 55 à 57 vissées dans des trous filetés, 58 à
60. Ces douilles 55 à 57 sont analogues à la douille 32 décrite ' 7 ~

précédemment. L'antenne 50 est placée à une distance égale à un quart de la longueur d'onde ~ correspondant à la fréquence cen-trale de la bande de fréquences à laisser passer, par rapport à la plaque métallique 51 obturant le guide d'ondes. Le résonnateur le plus proche, 55, est placé à une distance au moins égale à la lon-gueur d'onde ~ correspondant à la fréquence centrale de la bande à laisser passer, par rapport à l'antenne 50. Les autres résonateurs sont situés à intervalles réguliers, égaux à des multiples impairs du quart de la longueur d'onde ~ correspondant à
la fréquence centrale de la bande à laisser passer. Par exemple, les intervalles sont tous égaux à un quart de longueur d'onde.

Claims (5)

1) Filtre éliminateur de bande pour guide d'ondes hyper-fréquences, comportant :
- un guide d'ondes (11);
- au moins une ligne coaxiale court-circuitée comportant un conducteur intérieur (17) et un conducteur extérieur (19) coa-xiaux; le conducteur intérieur (17) ayant une longueur égale à un multiple impair du quart de la longueur d'onde correspondant à la fréquence centrale d'une bande de fréquences à éliminer, et plon-geant dans le guide d'ondes (11) pour être couplé au champ électri-que (E); et le conducteur extérieur (19) ayant une longueur infé-rieure au dit multiple;
caractérisé en ce que le conducteur extérieur est constitué, au moins en partie, par un trou cylindrique fileté (19) percé dans une paroi du guide d'ondes (11), et dont la longueur électrique est ajustable par un court-circuit (16; 33) vissable dans ledit trou fileté.

2) Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conducteur intérieur de la ligne coaxiale court-circuitée comporte une vis (12) en métal, vissée dans le trou fileté (19) et comportant un prolongement cylindrique (17) ayant le même axe de symétrie de révolution que la vis (12) mais de diamètre plus réduit; la vis (12) constituant un court-circuit à l'extrémité de la ligne coaxiale,

3) Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que la ligne coaxiale court-circuitée comporte une douille cylindrique (32) filetée extérieurement, lisse intérieurement, obturée à une extrémité par un plan conducteur (33) constituant un court-circuit pour la ligne coaxiale; ce plan conducteur (33) portant un conduc-teur cylindrique coaxial (37) constituant le conducteur intérieur;
cette douille étant vissée dans le trou fileté (39).

4) Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de lignes coaxiales court-circuitées (55 à 57), identiques, alignées et espacées d'un nombre impair de quarts de la longueur d'onde correspondant à la fréquence centrale d'une bande de fréquences à laisser passer.

5) Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une pluralité de premières lignes coaxiales court-circuitées (21 à 23), identiques, alignées et espacées d'un nombre impair de demi-longueurs d'onde correspondant à la fréquence centrale d'une bande de fréquences à laisser passer; et une pluralité de secondes lignes coaxiales court-circuitées (24 à 25), identiques, alignées et espacées d'un nombre impair de demi-longueurs d'onde correspondant à la fréquence centrale d'une bande de fréquences à laisser passer; les premières et les secondes lignes coaxiales étant disposées de part et d'autre de l'axe de sy-métrie (XX') du guide d'ondes (27).