EP0112328B1 - Strucutre de filtre a micro-ondes - Google Patents

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EP0112328B1
EP0112328B1 EP82901958A EP82901958A EP0112328B1 EP 0112328 B1 EP0112328 B1 EP 0112328B1 EP 82901958 A EP82901958 A EP 82901958A EP 82901958 A EP82901958 A EP 82901958A EP 0112328 B1 EP0112328 B1 EP 0112328B1
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EP
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cavity
coupling
iris
resonance
tuning screws
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EP82901958A
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John David Rhodes
Richard John Cameron
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Agence Spatiale Europeenne
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Agence Spatiale Europeenne
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01PWAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00Auxiliary devices
    • H01P1/20Frequency-selective devices, e.g. filters
    • H01P1/207Hollow waveguide filters
    • H01P1/208Cascaded cavities; Cascaded resonators inside a hollow waveguide structure
    • H01P1/2082Cascaded cavities; Cascaded resonators inside a hollow waveguide structure with multimode resonators

Definitions

  • the present invention relates to the production of microwave bandpass filters using dual-resonance cavities arranged so as to achieve asymmetrical transmission characteristics.
  • Microwave bandpass filters are widely used in terrestrial or space telecommunications systems for rejection of noise or interference signals and in multiplexers for combining or separating different transmission channels. The majority of these filters however have symmetrical transmission characteristics and are produced by microwave structures tuned synchronously, that is to say in which all the resonators are tuned to the same central frequency.
  • a known type of microwave filter structure comprises a cascade of cylindrical cavities with double resonance mode, in which each cavity is provided with two tuning screws arranged at 90 ° relative to each other and a coupling screw placed at 45 ° relative to the two tuning screws for coupling the two resonance modes of the cavity and in which the coupling between the identical resonance modes of the adjacent cavities is carried out by means of an iris of cross coupling drilled in a plate separating the adjacent cavities in the plane of a section of the cavities.
  • An exemplary structure of this type is described in FR-A-2 100 640.
  • the two slots of the coupling iris are oriented symmetrically so as to coincide with the orthogonal vectors which define the two modes of propagation in the corresponding cavities and the internal coupling screw of a cavity is arranged at 90 ° relative to the coupling screw of the adjacent cavity. This results in a 180 ° phase shift between the vertical resonance mode of the first cavity and the vertical resonance mode of the second cavity, which produces an elliptical transmission characteristic, therefore a symmetrical transmission characteristic.
  • FR-A-1 151 803 it is also known that the coupling between the cavities can be varied by using coupling slots having selected angles of inclination.
  • the transmission characteristic of the filter retains symmetry with respect to a central frequency.
  • the invention relates to a microwave filter using cavities with double resonance mode arranged so as to achieve asymmetrical transmission characteristics.
  • FIG. 4 there is an exploded view of a known embodiment.
  • the two cylindrical cavities 100 and 200 are separated by a plate 300 pierced with a cross coupling iris 400.
  • Each cavity supports two resonances in TE 11 mode polarized orthogonally to one another, each resonance being tuned individually by means of a tuning screw.
  • the two orthogonal resonances are coupled by means of a coupling screw placed at 45 ° relative to the tuning screws.
  • the coupling between the resonances in the adjacent cavities 100 and 200 is done by the coupling iris 400.
  • This type of construction achieves only transmission characteristics symmetrical with respect to the central frequency because this construction derives from a prototype network essentially symmetrical as shown in Figure 2.
  • This prototype network is a network in the form of a folded ladder to allow coupling between non-adjacent capacitors. These couplings are identified by the symbols K18, K27, K38.
  • Such a network is the electrical realization of the characteristics defined in mathematical form by transfer polynomials. The process for converting these polynomials into a prototype electrical network is described by JD Rhodes in: A low-pass prototype network for microwave linear phase filters (IEEE-MTT, Vol. MTT-18, June 1970, pages 145-160).
  • the references 100 and 200 designate two cylindrical cavities separated by a coupling iris plate 300 pierced with a cross iris 400. Each cavity supports two resonances in TE 11 mode orthogonally polarized. one in relation to the other, each resonance being tuned individually by means of a tuning screw.
  • the tuning screws are noted 1 and 2. The angular position of these screws 1 and 2 will serve as a reference position for the organization of the structure according to the invention.
  • the coupling iris plate 300 is arranged in such a way that the coupling iris 400 is angularly offset by an angle 9 relative to the angular position of the tuning screws 1 and 2 of the cavity 100. Then, the second cavity 200 is arranged in such a way that the angular position of its tuning screws 3 and 4 is offset by an angle ⁇ relative to the angular position of the coupling iris 400.
  • the angular offset between the angular positions of the screw of the two adjacent cavities is therefore ( ⁇ + ⁇ ).
  • each cavity of this structure there are two independent resonances tuned by the tuning screws and the coupling of these two resonances is adjusted by a coupling screw located at 45 ° relative to the tuning screws.
  • the coupling M 12 between the resonances 1 and 2 is adjusted by the screw 500 and in the cavity 200 the coupling M 34 between the resonances 3 and 4 is adjusted by the screw 600.
  • a simplified embodiment for 4th and 6th degree structures is to use a simple slit as an iris instead of a cross-shaped iris.
  • equations (I) are reduced to the following set:
  • the method for establishing the structure of a microwave filter with cavities with double resonance mode comprises two steps.
  • the first consists, from the prototype electrical network corresponding to the desired transfer function, to convert the prototype network into a coupling matrix.
  • the second step consists in transforming this matrix until it contains only couplings which can be produced by a cascade of cavities with double resonance mode and their coupling components.
  • This process is developed in the following articles: "A novel realization for microwave bandpass filters” by RJ Cameron (ESA JOURNAL, vol. 3, No. 4,1979, pp. 281-287) and “Asymmetric realization for dual-mode bandpass filters "by RJ Cameron and JD Rhodes (IEEE Trans. MTT, Vol. MTT-29, No. 1, Jan. 1981, pp. 51-58).
  • An exemplary embodiment of the 4th degree was constructed with a slit iris.
  • the bandwidth of this filter is 80 MHz with a center frequency of 14125 MHz.
  • the characteristics of theoretical loss, adaptation loss and group delay are shown in Figs. 6 to 8.
  • the second cavity is arranged so that the resonance tuning screw 3 is offset by an angle of 44.76 ° in the opposite direction to that of the movement of the needles of a watch with respect to the angular orientation of the coupling slot M i .
  • the input M 01 and output M 40 coupling slots are aligned with the angular positions of the resonance tuning screws 1 and 4 respectively: their lengths are calculated in the conventional way by the theory of termination impedances.

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Abstract

Une structure comprenant une cascade de cavités cylindriques à double mode de résonance, dans laquelle chaque cavité (par ex. 100) est couplée à la cavité adjacente (par ex. 200) par un iris de couplage (400) orienté suivant une direction décalée d'un angle déterminé () par rapport à la position angulaire des vis d'accord (1, 2) de la cavité (100) tandis que la cavité adjacente (200) est décalée d'un angle déterminé (psi) par rapport à la position angulaire de l'iris de couplage (400) qui la couple à la première cavité (100).

Description

  • La présente invention concerne la réalisation de filtres passe-bande micro-ondes à l'aide de cavités à double mode de résonance agencées en sorte de réaliser des caractéristiques de transmission asymétriques.
  • Les filtres passe-bande micro-ondes sont largement utilisés dans les systèmes de télécommunication terrestres ou spatiaux pour assurer la réjection des signaux de bruit ou d'interférence et dans les multiplexeurs pour la combinaison ou la séparation des différentes voies de transmission. La majorité de ces filtres ont cependant des caractéristiques de transmission symétriques et sont réalisés par des structures micro-ondes accordées de façon synchrone, c'est-à-dire dans lesquelles tous les résonateurs se trouvent accordés à la même fréquence centrale.
  • Un type de structure de filtre micro-ondes connu comprend une cascade de cavités cylindriques à double mode de résonance, dans laquelle chaque cavité est munie de deux vis d'accord disposées à 90° l'une par rapport à l'autre et d'une vis de couplage disposée à 45° par rapport à es deux vis d'accord pour coupler les deux modes de résonance de la cavité et dans laquelle le couplage entre les modes de résonance identiques des cavités adjacentes est réalisé au moyen d'un iris de couplage en croix percé dans une plaque séparant les cavités adjacentes dans le plan d'une section des cavités. Une structure exemplaire de ce type est décrite dans FR-A-2 100 640. Dans cette structure exemplaire, les deux fentes de l'iris de couplage sont orientées symétriquement de manière à coïncider avec les vecteurs orthogonaux qui définissent les deux modes de propagation dans les cavités correspondantes et la vis de couplage interne d'une cavité est disposée à 90° par rapport à la vis de couplage de la cavité adjacente. Il en résulte en déphasage de 180° entre le mode de résonance vertical de la première cavité et le mode de résonance vertical de la deuxième cavité, ce qui produit une caractéristique de transmission elliptique, donc une caractéristique de transmission symétrique.
  • Par FR-A-1 151 803 on sait également que l'on peut faire varier le couplage entre les cavités en utilisant des fentes de couplage ayant des angles d'inclinaison choisis. Toutefois, lorsque de telles fentes inclinées sont utilisées dans une structure de filtre telle que décrite dans FR-A-2 100 640 la caractéristique de transmission du filtre conserve une symétrie par rapport à une fréquence centrale.
  • Il existe cependant des applications dans lesquelles il serait souhaitable de réaliser des structures de filtrage à caractéristique de transmission asymétrique. Tel est le cas, par exemple, des filtres des voies extérieures dans un multiplexeur à voies contiguës où l'absence d'une voie contiguë d'un côté provoque l'apparition d'une forte distorsion asymétrique dans les caractéristiques de perte d'insertion et de temps de propagation de groupe dans la bande passante. Une telle distorsion asymétrique peut être fortement dommageable pour les signaux numériques et si cette distorsion n'est pas corrigée, il est nécessaire d'adopter de plus fortes puissances pour les transmetteurs afin de rétablir le taux d'erreur binaire à celui que l'on aurait sans distorsion. Une autre application est celle de systèmes de transmission qui sont soumis à des spécifications de réjection asymétrique, par exemple dans une voie de réception qui est adjacente à une voie de transmission devant être rejetée avec une pente de coupure très abrupte.
  • L'invention a pour objet un filtre micro-ondes utilisant des cavités à double mode de résonance agencées en sorte de réaliser des caractéristiques de transmission asymétriques.
  • Cet objectif est atteint suivant l'invention par une structure de filtre micro-ondes comprenant une cascade de cavités cylindriques à double mode de résonance, dans laquelle chaque cavité est couplée à la cavité adjacente par un iris de couplage en croix dont la position angulaire est décalée d'un premier angle déterminé (8) par rapport à la position angulaire des vis d'accord de la cavité, cette structure se caractérisant en ce que la position angulaire des vis d'accord de la cavité adjacente est décalée d'un second angle déterminé (tp) par rapport à la position angulaire de l'iris de couplage, de telle sorte que les positions angulaires des vis d'accord de deux cavités adjacentes soient décalées l'une par rapport à l'autre d'un angle (θ+ψ) différent de k - n/2, (k étant égal à 1,2,3,...), et en ce que les angles 0 et ψ sont déterminés par les relations suivantes:
    Figure imgb0001
    Figure imgb0002
    Figure imgb0003
    Figure imgb0004
    dans lesquelles M1 et M2 désignent les couplages réalisés par les deux branches dudit vis de couplage (400), et dans lesquelles Mij désigne le couplage entre la résonance i d'une cavité et la résonance de la cavité adjacente (i=1, 2; j=3, 4).
  • L'invention est exposée en détail dans ce qui suit avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels
    • - la figure 1 est une vue éclatée d'un mode de construction connu de filtre micro-ondes à cavités à double mode de résonance;
    • la figure 2 montre le réseau prototype électrique correspondant à une mode de construction suivant la figure 1;
    • la figure 3 montre un réseau prototype électrique qui permet de réaliser des caractéristiques de transmission asymétriques;
    • la figure 4 est une vue en élévation illustrant un mode de réalisation exemplaire selon l'invention;
    • la figure 5 est une vue suivant la ligne V-V de la figure 4;
    • . les figures 6-8 montrent des caractéristiques de transmission d'un exemple d'exécution selon l'invention.
  • Dans ce qui suit sera décrit un mode de réalisation exemplaire à deux cavités (Fig. 4). Se reportant d'abord à la figure 1 on voit une vue éclatée d'un mode d'exécution connu. Les deux cavités cylindriques 100 et 200 sont séparées par une plaque 300 percée d'un iris de couplage en croix 400. Chaque cavité supporte deux résonances en mode TE11 polarisées orthogonalement l'une par rapport à l'autre, chaque résonance étant accordée individuellement au moyen d'une vis d'accord. Les deux résonances orthogonales sont couplées au moyen d'une vis de couplage disposée à 45° par rapport aux vis d'accord. Le couplage entre les résonances dans les cavités adjacentes 100 et 200 se fait par l'iris de couplage 400. Ce type de construction ne réalise que des caractéristiques de transmission symétriques par rapport à la fréquence centrale car cette construction dérive d'un réseau prototype essentiellement symétrique tel que montré à la figure 2. Ce réseau prototype est un réseau en forme d'échelle repliée afin de permettre le couplage entre les condensateurs non adjacents. Ces couplages sont identifiés par les symboles K18, K27, K38. Un tel réseau est la réalisation électrique des caractéristiques définies sous forme mathématique par des polynomes de transfert. Le procédé pour convertir ces polynomes en un réseau prototype électrique est décrit par J. D. Rhodes dans: A low-pass prototype network for microwave linear phase filters (IEEE-MTT, Vol. MTT-18, juin 1970, pages 145-160).
  • Pour réaliser des caractéristiques de transmission asymétriques il est nécessaire de réaliser une structure correspondant à un réseau prototype électrique équivalent comprenant des couplages en diagnole tels que les couplages identifiés par les symboles K17, K26 et K35 à la figure 3.
  • Se reportant à présent à la figure 4, les références 100 et 200 désignent deux cavités cylindriques séparées par une plaque d'iris de couplage 300 percée d'un iris en crois 400. Chaque cavité supporte deux résonances en mode TE11 polarisées orthogonalement l'une par rapport à l'autre, chaque résonance étant accordée individuellement au moyen d'une vis d'accord. Pour la cavité 100 les vis d'accord sont notées 1 et 2. La position angulaire de ces vis 1 et 2 servira de position de référence pour l'organisation de la structure selon l'invention.
  • La plaque d'iris de couplage 300 est disposée de telle manière que l'iris de couplage 400 soit décalé angulairement d'un angle 9 par rapport à la position angulaire des vis d'accord 1 et 2 de la cavité 100. Ensuite, la deuxième cavité 200 est disposée de telle manière que la position angulaire de ses vis d'accord 3 et 4 soit décalée d'un angle ψ par rapport à la position angulaire de l'iris de couplage 400. Le décalage angulaire entre les positions angulaires des vis d'accord des deux cavités adjacentes est donc (θ+ψ).
  • Dans chaque cavité de cette structure existent deux résonances indépendantes accordées par les vis d'accord et le couplage de ces deux résonances est ajusté par une vis de couplage située à 45° par rapport aux vis d'accord. Dans la cavité 100 le couplage M12 entre les résonances 1 et 2 est ajusté par la vis 500 et dans la cavité 200 le couplage M34 entre les résonances 3 et 4 est ajusté par la vis 600.
  • Désignant par M1 et M2 les couplages réalisés par les deux branches de l'iris 400, l'agencement illustré à la fig. 5 réalise entre les résonances des deux cavités, des couplages qui peuvent être explicités par les relations suivantes:
    Figure imgb0005
  • La résolution simultanée de ces quatre équations par rapport aux quatre paramètres inconnus Mi, M2, θ et ψ permet de déterminer tous les paramètres de construction nécessaires pour réaliser une structure à deux cavités.
  • Le développement mathématique conduisant à la solution de ces équations simultanées sera publié dans la revue de la déposante "ESA JOURNAL", vol. 6, No. 2, 1982 avec un article de Richard J. Cameron intitulé: General synthesis methods for microwave filters.
  • La réalisation de cascades de degré plus élevé comptant un plus grand nombre de cavités de sait d'une manière identique.
  • Une forme de réalisation simplifiée pour des structures du 4e et du 6e degré consiste à utiliser une simple fente comme iris au lieu d'un iris en forme de croix. Dans ce cas, les équations (I) se réduisent à l'ensemble suivant:
    Figure imgb0006
  • Le procédé pour établir la structure d'un filtre microondes avec cavités à double mode de résonance comprend deux étapes. La première consite, à partir du réseau prototype électrique correspondant à la fonction de transfert voulue, à convertir le réseau prototype en une matrice de couplage. La seconde étape consiste à transformer cette matrice jusqu'à ce qu'elle ne contienne plus que des couplages qui peuvent être réalisés par une cascade de cavités à double mode de résonance et leurs composants de couplage. Ce procédé se trouve développé dans les articles suivants: "A novel realisation for microwave bandpass filters" par R. J. Cameron (ESA JOURNAL, vol. 3, No. 4,1979, pp. 281-287) et "Asymmetric realisation for dual-mode bandpass filters" par R. J. Cameron et J. D. Rhodes (IEEE Trans. MTT, Vol. MTT-29, No. 1, Jan. 1981, pp. 51-58).
  • Un exemple de réalisation du 4e degré a été construit avec un iris à fente. La bande passante de ce filtre est de 80 MHz avec une fréquence centrale de 14125 MHz. Les caractéristiques d'affaiblissement théorique, d'affaiblissement d'adaptation et de temps de propagation de groupe sont montrées aux figs. 6 à 8.
  • Ce filtre a été réalisé en ce basant sur la matrice de couplage prototype du tableau 1. Après transformation avec pivot à (2,3), angle À=35, 95°, on obtient la matrice de couplage du tableau 2.
    Figure imgb0007
    Figure imgb0008
  • La résolution des équations (II) donne les valeurs des paramètres de construction:
    Figure imgb0009
  • Constructivement, l'iris de couplage entre les deux cavités est une fente orientée à angles droits par rapports à la position angulaire de la vis d'accord de résonance 1 et la longueur de la fente se calcule de la manière habituelle pour réaliser le couplage de valeur Mi =0,7925. La deuxième cavité est disposée en sorte que la vis d'accord de résonance 3 soit décalée d'un angle de 44,76° dans le sens contraire à celui du déplacement des aiguilles d'une montre par rapport à l'orientation angulaire de la fente de couplage Mi. Les fentes de couplage d'entrée M01 et de sortie M40 sont alignées avec les positions angulaires des vis d'accord de résonance 1 et 4 respectivement: leurs longueurs sont calculées de la façon classique par la théorie des impédances de terminaison.

Claims (2)

1. Structure de filtre micro-ondes servant à réaliser des caractéristiques de transmission asymétriques, cette structure comprenant une cascade de cavités cylindriques (100, 200) à double mode de résonance, chaque cavité étant munie de deux vis d'accord (1, 2; 3, 4) disposées à 90° l'une par rapport à l'autre dans le plan d'une section de la cavité, chaque cavité (100) étant couplée à la cavité adjacente (200) par un iris de couplage ayant la forme d'une croix (400) orienté suivant une direction décalée d'un premier angle déterminé (θ) non nul par rapport à la position angulaire des vis d'accord (1, 2) de la cavité (100), le couplage des deux résonances dans chaque cavité (100, 200) étant ajusté par une vis de couplage (500,600) située à 45° par rapport aux dits vis d'accord (1, 2; 3, 4) de la cavité, caractérisée en ce que la position angulaire des vis d'accord (3, 4) de la dite cavité adjacente (200) est décalée d'un second angle déterminé (ψ) par rapport à la position angulaire dudit iris de couplage (400) de telle sorte que les positions angulaires des dits vis d'accord de deux cavités adjacentes soient décalées l'une de l'autre d'un angle (θ+ψ) différent de k· π/2, (k=1, 2, 3, ...), et en ce que les angles 6 et ψ sont déterminés par les relations suivantes:
Figure imgb0010
Figure imgb0011
Figure imgb0012
Figure imgb0013
dans lesquelles M1 et M2 désignent les couplages réalisés par les deux branches dudit iris de couplage (400) et Mij désigne le couplage entre la résonance i d'une cavité et la résonance j de la cavité adjacente (i=1, 2; j=3, 4).
2. Structure de filtre micro-ondes selon la revendication 1, dans laquelle les iris de couplage ont la forme d'une fente, le couplage M2 dans lesdites relations destinées à déterminer les angles 8 et ψ étant négligeable.
EP82901958A 1982-06-11 1982-06-11 Strucutre de filtre a micro-ondes Expired EP0112328B1 (fr)

Applications Claiming Priority (1)

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PCT/BE1982/000015 WO1983004457A1 (fr) 1982-06-11 1982-06-11 Structure de filtre a micro-ondes

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Publication Number Publication Date
EP0112328A1 EP0112328A1 (fr) 1984-07-04
EP0112328B1 true EP0112328B1 (fr) 1987-11-19

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EP82901958A Expired EP0112328B1 (fr) 1982-06-11 1982-06-11 Strucutre de filtre a micro-ondes

Country Status (4)

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US (1) US4544901A (fr)
EP (1) EP0112328B1 (fr)
JP (1) JPS59501141A (fr)
WO (1) WO1983004457A1 (fr)

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