EP0015610B1 - Filtre de réflexion de fréquence image en hyperfréquence et récepteur hyperfréquence comprenant un tel filtre - Google Patents

Filtre de réflexion de fréquence image en hyperfréquence et récepteur hyperfréquence comprenant un tel filtre Download PDF

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EP0015610B1 EP80200158A EP80200158A EP0015610B1 EP 0015610 B1 EP0015610 B1 EP 0015610B1 EP 80200158 A EP80200158 A EP 80200158A EP 80200158 A EP80200158 A EP 80200158A EP 0015610 B1 EP0015610 B1 EP 0015610B1
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Koninklijke Philips NV
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Laboratoires dElectronique et de Physique Appliquee
Philips Gloeilampenfabrieken NV
Koninklijke Philips Electronics NV
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    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/20—Frequency-selective devices, e.g. filters
    • H01P1/201—Filters for transverse electromagnetic waves
    • H01P1/203—Strip line filters
    • H01P1/2039—Galvanic coupling between Input/Output
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P7/00—Resonators of the waveguide type
    • H01P7/08—Strip line resonators
    • H01P7/082—Microstripline resonators

Definitions

  • the present invention relates, in a microwave receiver comprising a mixer to which on the one hand the reception signal of frequency f s and on the other hand a frequency signal f OL supplied by a local oscillator and which delivers after mixing a signal to intermediate frequency, an image frequency reflection filter produced in planar structure according to the microstrip technique and intended to prevent, by its installation upstream of the mixer, the return to the input of the parasitic signal receiver of frequency f IM called frame rate and equal to (2f oL - f s ) sent by the mixer.
  • a mixer is a device with a non-linear characteristic and that the combination of the signals of frequency f s and f OL can give rise, in fact, to the appearance of a whole series of other second-order products which are also spurious signals, but their frequency is more distant than f IM from the useful frequency band including f s and f OL and their filtering therefore does not have to be considered here.
  • the object of the invention is to provide an original filter structure which, while remaining compact and therefore usable in many applications where a small footprint is an essential quality, exhibits significantly improved performance compared to existing filters.
  • the invention relates to an image frequency reflection filter as defined above and characterized in that it consists of the combination of a single microwave element, placed in parallel on the main transmission line of the signal. reception of frequency f s , on the one hand from a quarter-wave filter of width at least equal to that of this transmission line and of length equal to a quarter of the wavelength associated with the image frequency f IM and on the other hand, an odd-mode resonator, constituted by the presence in the unconnected end of the quarter-wave filter of a recess transverse to the transmission line and dividing this quarter-wave filter into two separate arms .
  • the structure thus defined is particularly advantageous in that it offers a single microwave element - and therefore all the more compact - for the realization of two distinct microwave functions which combine their effects, namely a quarter-wave type filtering and an odd-mode resonance.
  • the presence of the quarter-wave filter acts as a notch filter in a frequency band centered on the parasitic frequency f IM to be eliminated (the width of this band being linked to that of this filter).
  • the odd-mode resonator without reducing the action of the quarter-wave filter, contributes by its action to reducing the width of the so-called transition frequency band between the reflection band and the transmission band, that is to say to make the filter slope steeper by bringing the lower and upper limits of this transition band closer to each other, which amounts to raising the upper limit of the reflection band while simultaneously improving the adaptation of the filter for the reception frequency f s and for the local frequency f oL .
  • This last characteristic makes it possible in particular to reduce the power of the local oscillator.
  • the reference plane of the reflection filter is perfectly defined and localized, since the connection of this filter to the main transmission line is carried out at a single point and its action only occurs at this point.
  • the image frequency reflection filter described with reference to FIG. 1 is produced in a so-called planar structure, according to the microstrip technique associated with a dielectric support, and consists of a single microwave element placed in parallel on a main transmission line 1 of the microwave signal of frequency f s .
  • This microwave element is composed of two parts: on the one hand a quarter wave filter 20 of width substantially equal to that of the line at its connection point in parallel thereon and of length equal to a quarter of the wavelength associated with the parasitic frequency f, M to be eliminated, on the other hand of an odd-mode resonator constituted by the presence in the unconnected end of this filter 20 of a recess 24 transverse to the line and located between two arms 22 now separate and here symmetrical.
  • the quarter-wave filter 20 which is for example a circular conducting surface connecting to the transmission line 1 over a width here equal to that of this line, allows the attenuation of a frequency band centered on the parasitic frequency f, M (see an example of a filtering curve in FIG. 2), while the odd-mode resonator (22, 24) makes it possible to narrow the transition frequency band between the reflection R and transmission bands T, by raising its lower limit thanks to the resonance of the odd mode on a frequency which depends on the length of the resonator, from one arm 22 to the other, and therefore of the depth of the recess 24 (which increases the reflection strip).
  • the odd mode resonant frequency f R can also be modified by placing in the transverse recess 24 a conductive surface 27 isolated from the rest of the element and intended to allow adjustment of the resonant frequency and of the overvoltage of the resonator, in order to make the slope of the filter curve between f, M and f OL steeper and therefore to decrease the width of the frequency band corresponding to this area of the curve, and in order to ensure greater insensitivity to foreign metallic bodies by better concentration of the magnetic field.
  • the image frequency reflection filter according to the invention is extremely compact, while presenting the original characteristic of playing alone a double function absent from conventional passive microwave elements and by meeting the requirements mentioned above. (reflection strip, reference plane, losses).
  • the image frequency reflection filter according to the invention which is therefore a notch filter (see the filtering curve of FIG. 2) can be used in particular in a microwave receiver for television signals.
  • signals at the frequency f s received by an antenna are sent to a mixer 30 which also receives, via a directional filter 31, a signal at the frequency f OL delivered by a local oscillator 32, and which delivers a signal at the intermediate frequency f Fl .
  • the filter 33 according to the invention is placed on the connection which precedes the input of the mixer 30 to recover the energy of the signal of frequency f, M and avoid the emission by the antenna of a signal at this frequency, and the fact that its reference plane is well defined and localized makes it possible to perform this positioning at a distance from this mixer such that, for the image frequency f IM to be reflected, the impedance seen by the mixer is optimal.
  • the present invention is not limited to the exemplary embodiments which have just been described and shown, from which other modes and other embodiments can be provided, without thereby departing from the scope of the invention. 'invention.
  • the application of the invention has been described above in the case of the microstrip structure, but a filter according to the invention can also be used in the case of a suspended microstrip structure.
  • the filter according to the invention can be equipped with an adaptation circuit consisting of a rectangular conductive surface 18 (see FIG. 1 ) of length equal to three-eighths of the wavelength associated with the frequency f s and connected over its entire length to the transmission line 1.
  • This surface 18 combines two discontinuities whose compensatory effects of the residual mismatch of the reflection filter improve the quality of the transmission around the frequency f s . In fact, at this frequency, the capacitive nature of the surface 18 compensates for the inductive nature of the section x / 4.

Description

  • La présente invention concerne, dans un récepteur hyperfréquence comprenant un mélangeur auquel parviennent d'une part le signal de réception de fréquence fs et d'autre part un signal de fréquence fOL fourni par un oscillateur local et qui délivre après mélange un signal à fréquence intermédiaire, un filtre de réflexion de fréquence image réalisé en structure planar selon la technique du microruban et destiné à empêcher, par sa mise en place en amont du mélangeur, le retour vers l'entrée du récepteur du signal parasite de fréquence fIM dite fréquence image et égale à (2foL - fs) envoyé par le mélangeur. On notera ici qu'un mélangeur est un dispositif à caractéristique non linéaire et que la combinaison des signaux de fréquence fs et fOL peut donner lieu, en fait, à l'apparition de toute une série d'autres produits de second ordre qui sont également des signaux parasites, mais leur fréquence est plus éloignée que fIM de la bande de fréquence utile incluant fs et fOL et leur filtrage n'a donc pas à être envisagé ici.
  • Un tel dispositif, à diode mélangeuse en l'occurrence, est décrit dans le document IEEE International Electron Devices Meeting, 6-8 décembre 1976, pages 87 à 89, par E. J. Denliger et al, « High performance mixer diode ». Mais la structure des filtres prévus ne permet pas de respecter une condition essentielle, à savoir l'existence d'un plan de référence bien défini et localisé de ces filtres par rapport au mélangeur, afin que leur action soit indépendante de la fréquence.
  • Un filtre destiné à assurer une bonne réflexion des signaux à la fréquence parasite fIM tout en transmettant de façon optimale les signaux à la fréquence de réception fs et ceux à la fréquence locale fOL doit satisfaire non seulement à cette condition essentielle, mais aussi aux deux suivantes :
    • - la bande de fréquence coupée par le filtre doit être suffisamment large pour que la réflexion de la fréquence fIM soit importante dans toute la bande que peut occuper cette fréquence ;
    • - les pertes doivent être aussi faibles que possible à la fréquence de réception fs et à la fréquence locale fOL.
  • Aucun filtre connu ne répond simultanément à toutes ces conditions. Ni les filtres classiques à liaison ou couplage avec la ligne de transmission (voir notamment le filtre quart d'onde à couplage, nommé I. R. filter sur la figure 2 du document qui vient d'être cité), ni les filtres dits « en éperon » (en anglais, spurline filters), qui sont d'ailleurs comparés aux précédents dans l'article « Design of microstrip spurline bandstop filters », paru dans la revue Microwaves, Optics and Acoustics, novembre 1977, Vol. 1, n° 6, n'ont des caractéristiques et une action propres à concilier les impératifs mentionnés plus haut. En effet, les filtres classiques ne réfléchissent que de façon médiocre la puissance incidente, et sur une bande de fréquence étroite, et sont en outre très sensibles aux influences extérieures (objets métalliques). A ces deux égards, les filtres dits en éperon constituent déjà une amélioration, mais leur plan de référence par rapport au mélangeur ne peut pas être bien défini.
  • Le but de l'invention est de proposer une structure originale de filtre qui, tout en restant compacte et donc utilisable dans de nombreuses applications où un faible encombrement est une qualité primordiale, présente des performances nettement améliorées par rapport aux filtres existants.
  • L'invention concerne à cet effet un filtre de réflexion de fréquence image tel que défini ci-dessus et caractérisé en ce qu'il est constitué par la réunion en un unique élément hyperfréquence, placé en parallèle sur la ligne principale de transmission du signal de réception de fréquence fs, d'une part d'un filtre quart d'onde de largeur au moins égale à celle de cette ligne de transmission et de longueur égale au quart de la longueur d'onde associée à la fréquence image fIM et d'autre part d'un résonateur du mode impair, constitué par la présence dans l'extrémité non raccordée du filtre quart d'onde d'un évidement transversal à la ligne de transmission et répartissant ce filtre quart d'onde en deux bras distincts.
  • La structure ainsi définie est particulièrement intéressante en ce qu'elle propose un élément hyperfréquence unique - et donc d'autant plus compact - pour la réalisation de deux fonctions hyperfréquence distinctes qui conjuguent leurs effets, à savoir un filtrage de type quart d'onde et une résonance du mode impair. D'une part, la présence du filtre quart d'onde agit comme un filtre coupe-bande dans une bande de fréquence centrée sur la fréquence parasite fIM à éliminer (la largeur de cette bande étant liée à celle de ce filtre). D'autre part le résonateur du mode impair, sans réduire l'action du filtre quart d'onde, contribue par son action à réduire la largeur de la bande de fréquence dite de transition comprise entre la bande de réflexion et la bande de transmission, c'est-à-dire à rendre la pente du filtre plus raide en rapprochant l'une de l'autre les limites inférieure et supérieure de cette bande de transition, ce qui revient à élever la limite supérieure de la bande de réflexion tout en améliorant simultanément l'adaptation du filtre pour la fréquence de réception fs et pour la fréquence locale foL. Cette dernière caractéristique permet notamment de réduire la puissance de l'oscillateur local. Enfin, le plan de référence du filtre de réflexion est parfaitement défini et localisé, puisque le raccordement de ce filtre sur la ligne principale de transmission est réalisé en un seul point et que son action ne se produit qu'en ce point.
  • D'autres particularités et avantages de l'invention seront mieux compris en se référant maintenant à la description qui suit et aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, quelques modes de réalisation de l'invention, et dans lesquels :
    • la figure 1 représente un exemple particulier de réalisation du filtre de réflexion de fréquence image selon l'invention, conduisant à une courbe de filtrage telle que celle de la figure 2 ; et
    • la figure 3 montre comment ce filtre de réflexion selon l'invention s'insère dans un récepteur hyperfréquence.
  • Le filtre de réflexion de fréquence image décrit en référence à la figure 1 est réalisé en structure dite planar, selon la technique du microruban associé à un support diélectrique, et consiste en un élément hyperfréquence unique placé en parallèle sur une ligne principale 1 de transmission du signal hyperfréquence de fréquence fs. Cet élément hyperfréquence est composé de deux parties : d'une part d'un filtre quart d'onde 20 de largeur sensiblement égale à celle de la ligne à son point de raccordement en parallèle sur celle-ci et de longueur égale au quart de la longueur d'onde associée à la fréquence parasite f,M à éliminer, d'autre part d'un résonateur du mode impair constitué par la présence dans l'extrémité non raccordée de ce filtre 20 d'un évidement 24 transversal à la ligne et situé entre deux bras 22 maintenant distincts et ici symétriques.
  • Le filtre quart d'onde 20, qui est par exemple une surface conductrice circulaire se raccordant à la ligne de transmission 1 sur une largeur ici égale à celle de cette ligne, permet l'atténuation d'une bande de fréquence centrée sur la fréquence parasite f,M (voir un exemple de courbe de filtrage sur la figure 2), tandis que le résonateur (22, 24) du mode impair permet de rendre plus étroite la bande de fréquence de transition comprise entre les bandes de réflexion R et de transmission T, par élévation de sa limite inférieure grâce à la résonance du mode impair sur une fréquence qui dépend de la longueur du résonateur, d'un bras 22 à l'autre, et donc de la profondeur de l'évidement 24 (ce qui accroît la bande de réflexion).
  • La fréquence fR de résonance du mode impair peut également être modifiée par la mise en place dans l'évidement transversal 24 d'une surface conductrice 27 isolée du reste de l'élément et destinée à permettre le réglage de la fréquence de résonance et de la surtension du résonateur, afin de rendre plus raide la pente de la courbe de filtrage entre f,M et fOL et donc diminuer la largeur de la bande de fréquence correspondant à cette zone de la courbe, et afin d'assurer une plus grande insensibilité aux corps métalliques étrangers par une meilleure concentration du champ magnétique. Avec ou sans cette caractéristique complémentaire, le filtre de réflexion de fréquence image selon l'invention est extrêmement compact, tout en présentant la caractéristique originale de jouer à lui seul une double fonction absente des éléments hyperfréquences passifs classiques et en répondant aux impératifs cités plus haut (bande de réflexion, plan de référence, pertes).
  • Le filtre de réflexion de fréquence image selon l'invention qui est donc un filtre coupe-bande (voir la courbe de filtrage de la figure 2) peut être utilisé notamment dans un récepteur hyperfréquence pour signaux de télévision. Comme le montre la figure 3, des signaux à la fréquence fs reçus par une antenne (non représentée) sont envoyés vers un mélangeur 30 qui reçoit également, par l'intermédiaire d'un filtre directionnel 31, un signal à la fréquence fOL délivré par un oscillateur local 32, et qui délivre un signal à la fréquence intermédiaire fFl. Le filtre 33 selon l'invention est placé sur la connexion qui précède l'entrée du mélangeur 30 pour récupérer l'énergie du signal de fréquence f,M et éviter l'émission par l'antenne d'un signal à cette fréquence, et le fait que son plan de référence soit bien défini et localisé permet d'effectuer cette mise en place à une distance de ce mélangeur telle que, pour la fréquence image fIM à réfléchir, l'impédance vue par le mélangeur soit optimale.
  • Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. On a par exemple décrit ci-dessus l'application de l'invention au cas de la structure microstrip, mais un filtre selon l'invention peut aussi être utilisé dans le cas d'une structure microstrip suspendue. Par ailleurs, pour assurer une transmission encore meilleure du signal de fréquence fs, avec le minimum de réflexions, le filtre selon l'invention peut être équipé d'un circuit d'adaptation consistant en une surface conductrice rectangulaire 18 (voir la figure 1) de longueur égale aux trois huitièmes de la longueur d'onde associée à la fréquence fs et raccordée sur toute sa longueur à la ligne de transmission 1. Cette surface 18 associe deux discontinuités dont les effets compensateurs de la désadaptation résiduelle du filtre de réflexion améliorent la qualité de la transmission autour de la fréquence fs. En effet, à cette fréquence, le caractère capacitif de la surface 18 vient compenser le caractère inductif du tronçon x/4.

Claims (5)

1. Dans un récepteur hyperfréquence comprenant un mélangeur (30) auquel parviennent d'une part le signal de réception de fréquence fs et d'autre part un signal fourni par un oscillateur local (32) et qui délivre après mélange un signal à fréquence intermédiaire, filtre de réflexion de fréquence image f,M réalisé en structure planar selon la technique du microruban, caractérisé en ce qu'il est constitué par la réunion en un unique élément hyperfréquence, placé en parallèle sur la ligne principale (1) de transmission du signal de réception, d'une part d'un filtre quart d'onde (20) de largeur au moins égale à celle de cette ligne de transmission et de longueur égale qu quart de la longueur d'onde associée à la fréquence image fIM et d'autre part d'un résonateur (22, 24) du mode impair, constitué par la présence dans l'extrémité non raccordée du filtre quart d'onde (20) d'un évidement (24) transversal à la ligne de transmission (1) et répartissant ce filtre quart d'onde en deux bras (22) distincts.
2. Filtre de réflexion de fréquence image selon la revendication 1, caractérisé en ce que le filtre quart d'onde (20) est une surface conductrice circulaire se raccordant à la ligne de transmission (1) sur une largeur au moins égale à celle de cette ligne.
3. Filtre de réflexion de fréquence image selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'évidement transversal (24) est occupé par une surface conductrice (27) isolée du reste de l'élément hyperfréquence.
4. Filtre de réflexion de fréquence image selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit d'adaptation consistant en une surface conductrice rectangulaire (18) de longueur égale aux trois huitièmes de la longueur d'onde associée à la fréquence fs et raccordée sur toute sa longueur à la ligne de transmission (1).
5. Utilisation d'un filtre de réflexion de fréquence image selon l'une des revendications 1 à 4 dans un récepteur hyperfréquence comprenant notamment un mélangeur (30) auquel parviennent un signal de réception de fréquence fs et un signal de fréquence fOL fourni par un oscillateur local (32) pour délivrer après mélange un signal utile à une fréquence intermédiaire fFI égale à la différence des fréquences fs et foL.
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