EP0046098B2 - Résonateur accordable et circuit hyperfréquence comportant au moins un tel résonateur - Google Patents

Résonateur accordable et circuit hyperfréquence comportant au moins un tel résonateur Download PDF

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EP0046098B2
EP0046098B2 EP81401184A EP81401184A EP0046098B2 EP 0046098 B2 EP0046098 B2 EP 0046098B2 EP 81401184 A EP81401184 A EP 81401184A EP 81401184 A EP81401184 A EP 81401184A EP 0046098 B2 EP0046098 B2 EP 0046098B2
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finger
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inwards directed
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Jean Fouillet
Jean-Claude Cruchon
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P7/00—Resonators of the waveguide type
    • H01P7/04—Coaxial resonators

Definitions

  • the invention relates to microwave circuits and more particularly to a tunable resonator usable in such circuits, tunable microwave filters or microwave waveguides.
  • the tunable coaxial resonators currently used to make tunable microwave filters generally consist of a hollow metal finger forming a clamp, fixed relative to the wall of the filter or of the guide in which it is placed, and of a metal finger movable at the 'interior of this hollow finger, which allows to achieve the desired agreement by varying the total length of the finger in the guide.
  • US-P-4,207,548 describes a tunable resonator in which the variation in tuning frequency is obtained by variation in length of a plunger sliding in a tubular conductor by means of a rod placed inside the plunger .
  • the external surface of the plunger and the internal surface of the conductor are kept spaced apart, pieces of PFTE (Teflon) for example allowing the spacing to be maintained.
  • PFTE Teflon
  • the problem to be solved is therefore to produce a simple resonator, tunable by variation of the length of a metal finger plunging into a cavity or a guide, the mechanical and electrical characteristics of which do not deteriorate over time and the electrical characteristics of which are stable and reproducible across the entire tuning range; this resonator can be used in tunable circuits, filters or guide susceptances and does not have the above-mentioned drawbacks.
  • a resonator of the ⁇ / 4 type, tunable in a large frequency range, comprising a first resonant cavity provided with a reentrant hollow finger fixed relative to a wall and arranged along the axis (XX ') of said cavity, and a movable plunger inside the finger, capable of extending the reentrant finger to allow adjustment of the tuning frequency of said resonator; said metal plunger being electrically isolated from the reentrant metal finger by a dielectric spacer, having a permittivity less than 4, facilitating sliding between the two; this plunger forming with the reentrant finger an internal coaxial line of low impedance (Z3); an actuator element (4) being provided to allow adjustment of the insertion of the plunger by sliding and the resonator comprising a second cavity, the actuator element forming with this second cavity, in which it slides, a coaxial line of high impedance ( Z4), and having at the bottom of the crossing of the wall of the second cavity
  • FIG. 1 is the diagram of an embodiment of the tunable coaxial resonator according to the invention.
  • FIG. 2 represents the equivalent electrical diagram of the tunable coaxial resonator shown in FIG. 1.
  • FIG. 1 shows a resonator, the structure of which is that of a reentrant coaxial cavity, that is to say which comprises a circular or rectangular section cavity, of axis XX, 1, comprising a reentrant finger 2 of the same axis as the cavity 1.
  • a mobile plunger 3 is capable of extending the reentrant finger 2 when it is pushed by means of a pusher 4 sliding in a cavity 6, the reentrant finger 2 being hollow.
  • This plunger is a metal plunger, but the sliding of the plunger in the reentrant finger is ensured by an intermediate layer 5 made of a low loss dielectric material forming insulation between the finger 2 and the plunger 3.
  • This intermediate layer 5 is, in the embodiment shown in FIG. 1, a layer which coats the metallic plunger 3.
  • This layer may consist of an organic dielectric material deposited by projection or of a glued dielectric sheet. This layer can also be a glued sheet of paper or a simple layer of glue.
  • the material chosen to constitute the intermediate layer must be depositable in a thin layer adhering to the metal forming the plunger (or the fixed finger) to form a layer of 1 / 100 e to 1 / 10 e of mm.
  • the material must have a fairly low permittivity ( ⁇ r ⁇ 4) and introduce only low losses (low tg ⁇ ).
  • the length of the line moves away from the theoretical length ⁇ 4 during the variation of position of the plunger, ⁇ being the wavelength used, and the TOS of the line then varies with the tuning frequency.
  • polytetrafluorethylene Teflon
  • polyester Mylar type
  • materials such as epoxy resins, silicones.
  • the intermediate layer may, instead of covering the plunger, cover the internal wall of the hollow reentrant finger, by lining.
  • this intermediate layer avoids the localized metal-metal electrical contact previously existing in the tunable resonators between the reentrant finger and the movable plunger: it appreciably increases the overvoltage coefficient Q of the resonator, because the short-circuit at the end of the line is better reduced by this better termination.
  • This layer also makes it possible, by avoiding seizure due to direct mechanical contact between the hollow reentrant finger and the movable plunger, to significantly increase the longevity of the circuits using such resonators.
  • this layer makes it easier to make the agreement by giving better reproducibility at the point of contact, due to the mechanical stability of the device.
  • This resonator structure makes it easy to produce adjustable, fixed or frequency tunable microwave filters, in TEM wave, under the cut-off.
  • an analogous filter produced with resonators using metal-to-metal clamp contacts allows only an overvoltage coefficient of the order of 1500 to 1600 to be obtained.
  • the high frequency of the tuning range is given when the plunger is flush with the end of the hollow finger and the frequency decreases when the plunging of the plunger into the cavity increases.
  • the equivalent electrical diagram of the resonator shown in Figure 1 is shown in Figure 2.
  • the cavity 1 and the reentrant finger 2 form a coaxial line of fixed length, closed by a fixed short circuit formed by the ring 10. This line has an impedance Z1.
  • the cavity 1 and the metal plunger 3, in its part extending the reentrant finger 2 form a second coaxial line open at its end, of impedance Z2.
  • the length of this extension line being variable, the tuning frequency is variable.
  • the metal plunger 3 also forms with the reentrant finger 2, isolated from one another by the intermediate layer 5, a third coaxial line of very low impedance Z3.
  • a capacitance C1 due to the discontinuities between these three lines has also been shown on the electrical diagram.
  • the piston 4 provided for the adjustment of the depression of the plunger intervenes for its part in the following manner: it forms with the cavity in which it slides a fourth coaxial line of very high impedance Z4: a discontinuity capacity C2 representing the transition between the third line and this fourth coaxial line.
  • a discontinuity capacity C2 representing the transition between the third line and this fourth coaxial line.
  • the invention is not limited to the embodiments described in conjunction with the figures.
  • the resonator described has been in connection with a coaxial cavity of reentrant structure in order to produce tunable filters.
  • the same resonator can be used as a variable plunger in a guide to constitute a variable susceptance.

Description

  • L'invention se rapporte aux circuits hyperfréquence et plus particulièrement à un résonateur accordable utilisable dans de tels circuits, filtres hyperfréquence accordables ou guides d'onde hyperfréquence.
  • Les résonateurs coaxiaux accordables utilisés actuellement pour réaliser des filtres hyperfréquence accordables sont généralement constitués d'un doigt métallique creux formant pince, fixe par rapport à la paroi du filtre ou du guide dans lequel il est placé, et d'un doigt métallique mobile à l'intérieur de ce doigt creux, qui permet de réaliser l'accord souhaité par variation de la longueur totale du doigt dans le guide.
  • Un certain nombre d'inconvénients sont inhérents à cette structure. D'abord, le contact entre les deux doigts métalliques, la pince et le doigt mobile, est localisé. Or dans les résonateurs destinés par exemple à des filtres agiles en fréquence, c'est-à-dire conçus pour travailler dans une grande gamme de fréquence, l'accord variable obtenu par coulissement du doigt mobile dans la pince conduit à une détérioration progressive des surfaces de contact telle qu'après un certain nombre de réglages, le résonateur n'est plus utilisable car le contact est devenu de trop mauvaise qualité. De plus, le coefficient de surtension d'un tel résonateur n'est pas uniforme dans toute la gamme d'accord. Enfin, en même temps que varie la susceptance du résonateur, la longueur électrique de la ligne varie également.
  • Le brevet US-P-4 207 548 décrit un résonateur accordable dans lequel la variation de fréquence d'accord est obtenue par variation de longueur d'un plongeur coulissant dans un conducteur tubulaire au moyen d'une tige placée à l'intérieur du plongeur. La surface externe du plongeur et la surface interne du conducteur sont maintenues espacées, des pièces de PFTE (Téflon) par exemple permettant de maintenir l'écartement. Dans ce type de résonateur, le problème de la détérioration du contact électrique est évité mais le système est compliqué car des joints conducteurs ou diélectriques doivent être prévus à différents endroits du résonateur et les caractéristiques mécaniques et électriques d'un tel résonateur ne sont pas stables.
  • Le problème à résoudre est donc de réaliser un résonateur simple, accordable par variation de la longueur d'un doigt métallique plongeant dans une cavité ou un guide, dont les caractéristiques mécaniques et électriques ne se détériorent pas dans le temps et dont les caractéristiques électriques sont stables et reproductibles dans toute la gamme d'accord; ce résonateur est utilisable dans les circuits accordables, filtres ou susceptances de guides et ne présente pas les inconvénients sus-mentionnés.
  • Suivant l'invention, un résonateur, du type λ/4, accordable dans une grande gamme de fréquence, comprenant une première cavité résonante munie d'un doigt creux réentrant fixe par rapport à une paroi et disposé selon l'axe (XX') de ladite cavité, et un plongeur mobile à l'intérieur du doigt, susceptible de prolonger le doigt réentrant pour permettre le réglage de la fréquence d'accord dudit résonateur ; ledit plongeur métallique étant isolé électriquement du doigt réentrant métallique par un espaceur diélectrique, ayant une permittivité inférieure à 4, facilitant le glissement entre les deux ; ce plongeur formant avec le doigt réentrant une ligne coaxiale interne de faible impédance (Z3) ; un élément actionneur (4) étant prévu pour permettre le réglage de l'enfoncement du plongeur par coulissement et le résonateur comportant une seconde cavité, l'élément actionneur formant avec cette seconde cavité, dans laquelle il coulisse, une ligne coaxiale de haute impédance (Z4), et présentant au niveau du fond de la traversée de la paroi de la seconde cavité un court-circuit qui est ramené à l'extrémité du doigt réentrant entre celui-ci et le plongeur ; caractérisé en ce que ledit espaceur diélectrique est formé par une couche intermédiaire d'épaisseur comprise entre 1/100e et 1/10e de millimètre, recouvrant soit le plongeur mobile soit la paroi interne dudit doigt réentrant, de manière à éviter tout grippage dû à un contact mécanique direct entre le plongeur mobile et le doigt réentrant, et rendant l'impédance de la ligne coaxiale interne très faible de manière à obtenir un fort coefficient de surtension ; en ce que l'élément actionneur est un poussoir coulissant ; la seconde cavité étant située dans le prolongement de la première et formant avec le poussoir une très haute impédance (Z4).
  • L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description qui suit en référence aux figures annexées.
  • La figure 1 est le schéma d'un mode de réalisation du résonateur coaxial accordable suivant l'invention.
  • La figure 2 représente le schéma électrique équivalent du résonateur coaxial accordable représenté sur la figure 1.
  • Sur la figure 1 a été représenté un résonateur, dont la structure est celle d'une cavité coaxiale réentrante, c'est-à-dire qui comporte une cavité de section circulaire ou rectangulaire, d'axe XX, 1, comportant un doigt réentrant 2 de même axe que la cavité 1.
  • Pour permettre l'accord, la longueur de doigt réentrant peut être modifiée. Pour cela un plongeur mobile 3 est susceptible de prolonger le doigt réentrant 2 lorsqu'il est poussé au moyen d'un poussoir 4 coulissant dans une cavité 6, le doigt réentrant 2 étant creux. Ce plongeur est un plongeur métallique, mais le glissement du plongeur dans le doigt réentrant est assuré par une couche intermédiaire 5 constituée d'un matériau diélectrique à faibles pertes formant isolant entre le doigt 2 et le plongeur 3. Cette couche intermédiaire 5 est, dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, une couche qui enrobe le plongeur métallique 3. Cette couche peut être constituée d'un matériau diélectrique organique déposé par projection ou d'une feuille de diélectrique collée. Cette couche peut également être une feuille de papier collée ou une simple couche de colle. Le materiau choisi pour constituer la couche intermédiaire doit être déposable en couche fine adhérant au métal formant le plongeur (ou le doigt fixe) pour former une couche de ¹/₁₀₀e à ¹/₁₀e de mm. De plus du point de vue électrique le matériau doit avoir une permittivité assez faible (εr < 4) et n'introduire que de faibles pertes (tgδ faible).
  • En effet si la permittivité εr est trop grande, la longueur de la ligne s'éloigne de la longueur théorique λ 4
    Figure imgb0001
     lors de la variation de position du plongeur, λ étant la longueur d'onde utilisée, et le TOS de la ligne varie alors avec la fréquence d'accord.
  • Parmi les matériaux utilisables, il est possible de citer à titre d'exemple non limitatif, le polytétrafluorethylene (Téflon), le polyester (type Mylar), et les matériaux type résines époxydes, silicones.
  • La couche intermédiaire peut, au lieu de recouvrir le plongeur, recouvrir la paroi interne du doigt réentrant creux, par chemisage.
  • Le rôle de cette couche intermédiaire est multiple: elle évite le contact électrique localisé métal-métal existant antérieurement dans les résonateurs accordables entre le doigt réentrant et le plongeur mobile: elle augmente sensiblement le coefficient de surtension Q du résonateur, car le court-circuit à l'extrémité de la ligne est mieux ramené par cette meilleure terminaison.
  • Cette couche permet également, en évitant le grippage dû au contact mécanique direct entre le doigt réentrant creux et le plongeur mobile, d'augmenter sensiblement la longévité des circuits utilisant de tels résonateurs.
  • Enfin, cette couche permet de rendre l'accord plus facile à réaliser en donnant une meilleure reproducibilité au point de contact, du fait de la stabilité mécanique du dispositif.
  • Cette structure de résonateur permet de réaliser facilement des filtres hyperfréquence réglables, fixes ou accordables en fréquence, en onde TEM, sous la coupure. Par exemple un filtre 4 pôles, constitué de quatre cavités coaxiales réentrantes formant résonateurs en série, couplées par iris et travaillant à une fréquence moyenne de 2,5 GHz a permis d'obtenir une variation de 30% autour de la fréquence nominale pour la variation d'accord en conservant au filtre de bonnes qualités dans toute cette bande d'accord, et en particulier un coefficient de surtension Q = 3000 (la bande étant de 20 MHz à 3 dB).
  • A titre de comparaison, un filtre analogue réalisé avec des résonateurs mettant en oeuvre des contacts à pinces métal-métal ne permet d'obtenir qu'un coefficient de surtension de l'ordre de 1500 à 1600.
  • La fréquence haute de la gamme d'accord est donnée lorsque le plongeur affleure à l'extrémité du doigt creux et la fréquence décroît lorsque l'enfoncement du plongeur dans la cavité augmente.
  • Le schéma électrique équivalent du résonateur représente sur la figure 1 est représenté sur la figure 2. La cavité 1 et le doigt réentrant 2 forment une ligne coaxiale de longueur fixe, fermée par un court-circuit fixe constitué par l'anneau 10. Cette ligne a une impédance Z₁. La cavité 1 et le plongeur métallique 3, dans sa partie prolongeant le doigt réentrant 2 forment une seconde ligne coaxiale ouverte à son extrémité, d'impédance Z₂. La longueur de cette ligne de prolongement étant variable, la fréquence d'accord est variable. Le plongeur métallique 3 forme par ailleurs avec le doigt réentrant 2, isolés l'une de l'autre par la couche intermédiaire 5, une troisième ligne coaxiale de très faible impédance Z₃. Une capacité C₁ dues aux discontinuités entre ces trois lignes a été également représentée sur le schéma électrique.
  • Le piston 4 prévu pour le réglage de l'enfoncement du plongeur intervient pour sa part de la manière suivante: il forme avec la cavité dans laquelle il coulisse une quatrième ligne coaxiale de très haute impédance Z₄: une capacité de discontinuité C₂ représentant la transition entre la troisiéme ligne et cette quatrième ligne coaxiale. Lorsque la partie de ce piston en contact mécanique avec la paroi de la cavité 6 est également en contact électrique avec cette paroi, cette ligne est fermée par un court-circuit. Il est également possible de prolonger cette ligne par une autre ligne de très basse impédance Z₅ en circuit ouvert, une capacité C₃ de discontinuité représentant la transition entre la quatrième ligne et cette autre ligne.
  • L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits en liaison avec les figures. En particulier, le résonateur décrit l'a été en liaison avec une cavité coaxiale de structure réentrante dans le but de réaliser des filtres accordables. Mais le même résonateur peut être utilisé comme plongeur variable dans un guide pour constituer une susceptance variable.

Claims (3)

  1. Résonateur, du type λ/4, accordable dans une grande gamme de fréquence, comprenant une première cavité résonante (1) munie d'un doigt creux réentrant (2) fixe par rapport à une paroi et disposé selon l'axe (XX') de ladite cavité, et un plongeur mobile (3) à l'intérieur du doigt (2), susceptible de prolonger le doigt réentrant (2) pour permettre le réglage de la fréquence d'accord dudit résonateur ; ledit plongeur métallique (3) étant isolé électriquement du doigt réentrant métallique (2) par un espaceur diélectrique, ayant une permittivité inférieure à 4, facilitant le glissement entre les deux ; ce plongeur (3) formant avec le doigt réentrant (2) une ligne coaxiale interne de faible impédance (Z3) ; un élément actionneur (4) étant prévu pour permettre le réglage de l'enfoncement du plongeur (3) par coulissement et le résonateur comportant une seconde cavité (6), l'élément actionneur (4) formant avec cette seconde cavité (6), dans laquelle il coulisse, une ligne coaxiale de haute impédance (Z4), et présentant au niveau du fond de la traversée de la paroi de la seconde cavité (6) un court-circuit qui est ramené à l'extrémité du doigt réentrant (2) entre celui-ci et le plongeur (3) ; caractérisé en ce que ledit espaceur diélectrique est formé par une couche intermédiaire (5) d'épaisseur comprise entre 1/100e et 1/10e de millimètre, recouvrant soit le plongeur mobile (3) soit la paroi interne dudit doigt réentrant (2), de manière à éviter tout grippage dû à un contact mécanique direct entre le plongeur mobile (3) et le doigt réentrant (2), et rendant l'impédance (Z3) de la ligne coaxiale interne très faible de manière à obtenir un fort coefficient de surtension ; en ce que l'élément actionneur (4) est un poussoir coulissant ; la seconde cavité étant située dans le prolongement de la première et formant avec le poussoir une très haute impédance (Z4).
  2. Utilisation d'au moins un résonateur accordable, selon la revendication 1, dans un filtre hyperfréquence, caractérisée en ce que, le filtre hyperfréquence étant formé de plusieurs cavités, chaque cavité forme avec un résonateur accordable associé une cavité de structure coaxiale réentrante.
  3. Utilisation d'au moins un résonateur accordable selon l'une quelconque des revendications précédentes dans un circuit hyperfréquence comportant un guide hyperfréquence formant dans ce guide une susceptance variable.
EP81401184A 1980-07-29 1981-07-24 Résonateur accordable et circuit hyperfréquence comportant au moins un tel résonateur Expired - Lifetime EP0046098B2 (fr)

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EP0046098A1 EP0046098A1 (fr) 1982-02-17
EP0046098B1 EP0046098B1 (fr) 1987-09-16
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