EP0165158A1 - Filtre diélectrique à fréquence centrale variable - Google Patents

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EP0165158A1
EP0165158A1 EP85401036A EP85401036A EP0165158A1 EP 0165158 A1 EP0165158 A1 EP 0165158A1 EP 85401036 A EP85401036 A EP 85401036A EP 85401036 A EP85401036 A EP 85401036A EP 0165158 A1 EP0165158 A1 EP 0165158A1
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EP
European Patent Office
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filter
faces
resonator
dielectric
small
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Withdrawn
Application number
EP85401036A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Bertrand D'albaret
Antoine Colombani
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Compagnie Electronique et de Piezoelectricite CEPE
Original Assignee
Compagnie Electronique et de Piezoelectricite CEPE
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Classifications

    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a dielectric filter with variable central frequency comprising at least one dielectric resonator constituted by a dielectric ceramic body coated with electrodes as well as means for electromagnetic coupling of signal input and output on the filter.
  • Ultra-high frequency (UHF) filters are widely used in the art, for example, in telecommunications to choose a specific frequency band. In frequencies up to about 700 MHz, filters with piezoelectric resonators can be used. However, for the entire UHF band, extending up to 3 GHz, these are no longer suitable and use is made of dielectric filters which have performances similar to cavity filters but which are much less expensive and bulky. In addition, in certain applications, the bandwidth of the piezoelectric filters proves to be too narrow.
  • Dielectric filters of this type have been described in French application 82.18236 filed on October 23, 1982 in the name of THOMSON-CSF.
  • Such filters of the parallelepiped type use compositions of the (Zr, Sn) TI0 4 type .
  • bandpass filters can be produced by placing a plurality of resonators next to each other. Generally, it is preferred to use quarter-wave type resonators because of their shorter length.
  • the electrode metallizations of these resonators are respectively mutually parallel and perpendicular to the insulating substrate on which said substrates are fixed.
  • the coupling between these resonators is made by mutual inductance.
  • the connection to the input and the output of the filter can be done either by welding directly on the electrode of the first and last resonator respectively, or by means of a loop placed above the first and last resonator as an exciter and collector.
  • resonators having a specific and determined frequency are used and by coupling said resonators according to the coupling coefficients required by the calculation of the filter, and this by carefully adjusting the distance between the resonators.
  • a plurality of resonators generally placed close to each other is used.
  • the natural frequency of each resonator is then tuned to the different frequencies of the channels and it is sufficient to switch the input and the output of the filter to the desired resonator to select the corresponding channel.
  • such a solution requires the use of as many resonators as channels, and per filter pole. This results in a significant bulk of the filter, which becomes prohibitive when the number of channels desired is greater than two.
  • the invention makes it possible to solve the problem posed and to use only a single resonator, or a single set of resonators coupled together according to the quality of the desired filter, while allowing the selection of a large number of channels.
  • the dielectric filter with variable central frequency is characterized in that it comprises a variable capacitance connected between the electrodes of the dielectric resonator, in a capacitive zone of said resonator, making it possible to continuously vary the central frequency of said filter. It is noted that such filters allow a displacement of the central frequency, with a substantially constant passband, of several times the value of this passband, with a very low level loss.
  • the filter according to the invention is characterized in that it comprises a plurality of dielectric resonators arranged close to one another and cut off from each other electromagnetically by air.
  • each resonator is of the quarter-wave type, and consists of a parallelepiped bar having four large faces and two small faces metallized on its large opposite faces. one from the other and on a small face located in the extension of said large faces.
  • the resonators are preferably secured to a support having a low loss factor, by one of their large non-metallized faces.
  • the small metallized faces will preferably be located on the same side of the large faces.
  • variable capacity will be a diode with variable capacity, controlled by a DC voltage generally disposed outside the filter.
  • a ceramic resonator is shown parallelepiped dielectric as mentioned above and described in the French patent application cited above. It comprises a parallelepipedic body 4 of dielectric ceramic coated on two of its large opposite faces with a metal layer 1 and 2 having an electrode function, and on one of its small faces, and in the extension of the electrodes of the large faces 1 and 2 opposite each other, an electrode metallization 3 ensuring operation in a quarter-wave circuit.
  • Figure 2 shows the arrangement of two resonators as described in Figure 1 to achieve a bandpass filter with two poles. It comprises a parallelepipedic housing 15 comprising a rectangular central cavity 16 made of a material having little electromagnetic loss.
  • Two resonators 17 and 18 are made integral with the bottom of the housing 15 in the manner illustrated in this FIG. 2: the electrodes of the large faces respectively 1 and 2, 11 and 12 are arranged parallel to each other, 2 and 11 being distant from a distance d, while the electrodes of the small faces 3 and 13 are placed in the extension of one another. All these electrodes are located in the planes perpendicular to the plane of the cavity 16.
  • the distance d between the resonators 17 and 18 determines the coupling coefficient between these two resonators, this in a manner known per se.
  • the signal is input by Il substantially at the intersection of electrodes 1 and 3, while the signal output is by SI substantially at the intersection of electrodes 12 and 13.
  • FIG. 3 represents an embodiment diagram of a dielectric filter with variable central frequency, with two poles. It consists of two resonators RESI and RES2 arranged as shown in Figure 2. The input of the signal on the filter is done in 1 with an electromagnetic connection or coupling in It arranged as explained in Figure 2. The output of the filter is carried out in S with a connection or a coupling SI carried out at the place indicated in figure 2.
  • Electrodes 1 and 2 on the side of the small non-metallized parallelepiped face 4, are connected, to the electrode 1, the first end of a capacitor C1, the other end of which is connected on the one hand to a resistor RI and on the other hand, to the cathode of a varicap diode Dl whose anode is connected to the end of electrode 2, on the side of the small non-metallized face.
  • the second end of the resistor R1 is connected to a variable DC voltage source V.
  • the electrode 12 of the resonator RES2 is connected to a first end of the capacitor C2, the second end of which is connected on the one hand to the cathode of the varicap diode, the other end of which is connected to the electrode 11 near its end on the side of the small non-metallized face of the resonator, and on the other hand to the resistor R2, the other end of which is also connected to the variable DC voltage source V.
  • a shock inductor L1 In parallel between the input I and the ground C is placed a shock inductor L1, while at the output is also placed a shock inductor L2.
  • these chokes can have variable values depending on the application envisaged and are not properly part of the filter according to the invention. They make it possible to guarantee the polarization of the diode with variable capacity, by their resistance having an adapted value.
  • FIG. 4 shows the passbands of the filter as a function of the voltage V applied to the varicap diodes for a filter having the parameters mentioned in the example below.
  • the OdB level corresponds to the level of the input signal.
  • the bandwidths of the - 3dB filter are mentioned numerically in the figure, making it possible to note the excellent results obtained using the filter according to the invention.
  • each resonator is placed at a distance d from the neighboring resonator (see FIG. 2) according to the desired coupling coefficient in a manner well known to those skilled in the art.
  • Each circuit, such as CI, Dl and RI of each resonator such as RESI is connected in the same way to said resonator, the end of each resistor, such as RI, being connected directly to the voltage source V.
  • the connections Il and SI are respectively made on the first filter of the plurality and on the last filter of the latter. In all cases, it will however be necessary to provide polarization means suitable for each diode with variable capacitance.
  • the electrode metallizations are made of silver, have a thickness of approximately 50 ⁇ , and are deposited using a lacquer by screen printing.
  • the entire resonator is placed in an aluminum housing, the distance between the faces of the resonators and the upper and lower walls of the housing being of the order of 3 mm.
  • electrode has been used to define the conductive walls of the resonant cavity.

Abstract

Filtre diélectrique à fréquence centrale variable comportant au moins un résonateur diélectrique (RES1, RES2) constitué d'un corps (4, 14) en céramique diélectrique revêtu d'électrodes (1, 2, 3, 11, 12, 13) ainsi que des moyens de couplage électromagnétiques (II, S1) d'entrée et de sortie de signal sur le filtre. Selon l'invention, le filtre est caractérisé en ce qu'il comporte une capacité variable (D1, D2) connectée entre les électrodes (1, 2, 11, 12) du résonateur, dans une zone capacitive dudit résonateur (RES1, RES2), permettant de faire varier continuement la fréquence centrale dudit filtre.

Description

  • La présente invention concerne un filtre diélectrique à fréquence centrale variable comportant au moins un résonateur diélectrique constitué d'un corps en céramique diélectrique revêtu d'électrodes ainsi que des moyens de couplage électromagnétiques d'entrée et de sortie de signal sur le filtre.
  • Les filtres ultra-haute fréquence (UHF) sont largement utilisés dans la technique par exemple, dans les télécommunications afin de choisir une bande de fréquence déterminée. Dans des fréquences jusqu'à environ 700 MHz, on peut utiliser des filtres comportant des résonateurs piézoélectriques. Toutefois, pour l'ensemble de la bande UHF, s'étendant jusqu'à 3 GHz ceux-ci ne sont plus appropriés et l'on fait alors appel aux filtres diélectriques qui ont des performances similaires aux filtres à cavité mais qui sont beaucoup moins coûteux et encombrants. De plus, dans certaines applications, la bande passante des filtres piézoélectriques se révèle trop étroite.
  • Des filtres diélectriques de ce type ont été décrits dans la demande française 82.18236 déposée le 23 octobre 1982 au nom de THOMSON-CSF. De tels filtres de type parallélépipédique utilisent des compositions du type (Zr, Sn) TI04.
  • A l'aide de tels résonateurs parallélépipédiques, on peut réaliser des filtres passe-bandes en disposant une pluralité de résonateurs les uns à côté des autres. Généralement, on préfère utiliser des résonateurs du type quart-d'onde en raison de leur plus faible longueur. Les métallisations d'électrodes de ces résonateurs sont respectivement parallèles entre elles et perpendiculaires au substrat isolant sur lequel lesdits substrats sont fixés. Le couplage entre ces résonateurs est fait par inductance mutuelle. La connexion à l'entrée et à la sortie du filtre peut se faire soit par soudure directement sur l'électrode respectivement du premier et du dernier résonateur, soit à J'aide d'une boucle placée au-dessus du premier et du dernier résonateur en tant qu'excitateur et collecteur. D'une manière connue en soi, pour obtenir un filtre ayant une bande passante déterminée on utilise des résonateurs ayant une fréquence propre et déterminée et en couplant lesdits résonateurs selon les coefficients de couplage nécessités par le calcul du filtre, et ceci en ajustant soigneusement la distance entre les résonateurs. Lorsqu'on désire réaliser un filtre multicanaux à l'aide de ces résonateurs, on utilise généralement une pluralité de résonateurs placés à proximité les uns des autres. La fréquence propre de chaque résonateur est alors accordée sur les différentes fréquences des canaux et il suffit de commuter l'entrée et la sortie du filtre sur le résonateur voulu pour sélectionner le canal correspondant. Une telle solution nécessite cependant l'utilisation d'autant de résonateurs que de canaux, et par pôle de filtre. Ceci se traduit par un encombrement notable du filtre celui-ci devenant prohibitif lorsque le nombre de canaux désiré est supérieur à deux.
  • L'invention permet de résoudre le problème posé et de n'utiliser qu'un seul résonateur, ou un seul ensemble de résonateurs couplés entre eux selon la qualité du filtre souhaité, tout en permettant la sélection d'un grand nombre de canaux.
  • Le filtre diélectrique à fréquence centrale variable selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte une capacité variable connectée entre les électrodes du résonateur diélectrique, dans une zone capacitive dudit résonateur, permettant de faire varier continuement la fréquence centrale dudit filtre. On constate que de tels filtres permettent un déplacement de la fréquence centrale, à bande passante sensiblement constante, de plusieurs fois la valeur de cette bande passante, avec une très faible perte de niveau.
  • Selon un mode préférentiel de réalisation, le filtre selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de résonateurs diélectriques disposés à proximité les uns des autres et coupés entre eux électromagnétiquement par l'air.
  • De préférence, chaque résonateur est du type quart-d'onde, et est constitué d'un barreau parallélépipédique ayant quatre grandes faces et deux petites faces métallisé sur ses grandes faces en regard l'une de l'autre et sur une petite face située dans le prolongement desdites grandes faces. Les résonateurs sont de préférence solidaires d'un support ayant un faible facteur de pertes, par l'une de leurs grandes faces non métallisée. Dans le cas d'une pluralité de résonateurs, les petites faces métallisées seront de préférence situées d'un même côté des grandes faces.
  • Dans le cas d'un résonateur du type quart-d'onde précité, qui se comporte comme un circuit LC dont la partie selfique est située à proximité de la métallisation de la petite face et dont la partie capacitive est située entre les métallisations de l'électrode des deux grandes faces, à proximité de la petite face non métallisée, l'entrée et/ou la sortie du signal s'effectuera sur une liaison placée sur une électrode de grande face en un point proche de la petite face métallisée tandis que la capacité variable sera branchée entre les extrémités des électrodes placées sur les grandes faces, à proximité de la petite face non métallisée.
  • Selon un mode particulièrement avantageux de l'invention, facilitant le faible encombrement du filtre, la capacité variable sera une diode à capacité variable, commandée par une tension continue généralement disposée à l'extérieur du filtre.
  • L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples de réalisation suivants, donnés à titre non limitatif, conformément avec les figures qui représentent :
    • - la figure 1, une vue schématique d'un résonateur parallélépipédique quart-d'onde utilisé dans le cadre de l'invention ;
    • - la figure 2, une vue d'une implantation schématiqué d'un filtre passe-bande à deux pôles utilisant deux résonateurs illustrés sur la figure 1 ;
    • - la figure 3, un schéma de réalisation d'un filtre passe-bande à deux pôles à fréquence centrale variable selon l'invention ;
    • - la figure 4, une représentation des courbes de réponses d'un filtre tel que représenté sur la figure 3, avec différentes tensions d'alimentation sur les diodes varicaps.
  • Sur la figure l, est représenté un résonateur céramique diélectrique parallélépipédique tel que mentionné plus haut et décrit dans la demande de brevet français citée ci-dessus. Il comporte un corps parallélépipédique 4 en céramique diélectrique revêtu sur deux de ses grandes faces opposées d'une couche métallique 1 et 2 ayant une fonction d'électrode, et sur l'une de ses petites faces, et dans le prolongement des électrodes des grandes faces 1 et 2 à l'opposé l'une de l'autre, une métallisation d'électrode 3 assurant le fonctionnement en circuit quart-d'onde.
  • La figure 2 montre la disposition de deux résonateurs tels que décrits sur la figure 1 permettant de réaliser un filtre passe-bande à deux pôles. Il comporte un boîtier parallélépipédique 15 comportant une cavité centrale rectangulaire 16 en matériau présentant peu de pertes électromagnétiques. Deux résonateurs 17 et 18 sont rendus solidaires du fond du boîtier 15 de la manière illustrée sur cette figure 2 : les électrodes des grandes faces respectivement 1 et 2, 11 et 12 sont disposées parallèlement les unes aux autres, 2 et 11 étant distantes d'une distance d, tandis que les électrodes des petites faces 3 et 13 sont placées dans le prolongement l'une de l'autre. Toutes ces électrodes sont situées dans les plans perpendiculaires au plan de la cavité 16. La distance d entre les résonateurs 17 et 18 détermine le coefficient de couplage entre ces deux résonateurs, ceci de manière connue en soi. L'entrée du signal s'effectue par Il sensiblement à l'intersection des électrodes 1 et 3, tandis que la sortie du signal s'effectue par SI sensiblement à l'intersection des électrodes 12 et 13.
  • La figure 3 représente un schéma de réalisation d'un filtre diélectrique à fréquence centrale variable, à deux pôles. Il est constitué de deux résonateurs RESI et RES2 disposés de la manière indiquée sur la figure 2. L'entrée du signal sur le filtre se fait en 1 avec une connexion ou un couplage électromagnétique en Il disposé comme explicité sur la figure 2. La sortie du filtre s'effectue en S avec une connexion ou un couplage SI réalisé à l'endroit indiqué sur la figure 2. A proximité des électrodes 1 et 2, du côté de la petite face non métallisée parallélépipède 4, sont connectés, à l'électrode 1, la première extrémité d'un condensateur C1 dont l'autre extrémité est reliée d'une part à une résistance RI et d'autre part, à la cathode d'une diode varicap Dl dont l'anode est connectée à l'extrémité de l'électrode 2, du côté de la petite face non métallisée. La seconde extrémité de la résistance R1 est reliée à une source de tension continue variable V. De la même manière, l'électrode 12 du résonateur RES2 est connectée à une première extrémité de la capacité C2 dont la seconde extrémité est connectée d'une part à la cathode de la diode varicap dont l'autre extrémité est reliée à l'électrode 11 à proximité de son extrémité du côté de la petite face non métallisée du résonateur, et d'autre part à la résistance R2 dont l'autre extrémité est également reliée à la source de tension continue variable V. En parallèle entre l'entrée I et la masse C est placée une self de choc L1, tandis qu'en sortie est placée également une self de choc L2. Bien entendu, ces selfs de peuvent avoir des valeurs variables suivant l'application envisagée et ne font pas à proprement partie du filtre selon l'invention. Elles permettent de garantir la polarisation de la diode à capacité variable, de par leur résistance ayant une valeur adaptée.
  • La figure 4 montre les bandes passantes du filtre en fonction de la tension V appliquée sur les diodes varicaps pour un filtre ayant les paramètres mentionnés dans l'exemple ci-après. Le niveau OdB correspond au niveau du signal d'entrée. On constate en sortie un signal dont l'affaiblissement n'est pas supérieur à 3dB. Les bandes passantes du filtre à - 3dB sont mentionnées numériquement sur la figure, permettant de constater les excellents résultats obtenus à l'aide du filtre selon l'invention.
  • Bien entendu, il est possible de réaliser des filtres comportant une pluralité de pôles utilisant une pluralité de résonateurs. Pour ceci, chaque résonateur est placé à une distance d du résonateur voisin (voir figure 2) selon le coefficient de couplage désiré de manière bien connue de l'homme de métier. Chaque circuit, tels que CI, Dl et RI de chaque résonateur tel que RESI est connecté de la même manière audit résonateur, l'extrémité de chaque résistance, tel que RI, étant reliée directement à la source de tension V. Bien entendu, les connexions Il et SI sont respectivement réalisées sur le premier filtre de la pluralité et sur le dernier filtre de celle-ci. Dans tous les cas, il faudra cependant prévoir des moyens de polarisation adaptés pour chaque diode à capacité variable.
  • Exemple : le schéma électrique est celui illustré sur la figure 3 avec les valeurs numériques suivantes :
    • RI, R2 = 10k Q
    • Dl, D2 = diode à capacité variable BA 149 (6pF à 4 volts) C1, C2 = 1,5 pF
    • V = source de tension continue, variable de 0 à 30 volts.
  • Les résonateurs RES1, RES2 ont la disposition représentée sur la figure 2. Ils sont collés sur un substrat en alumine, à une distance d = 7 mm. Leurs dimensions sont de 16,5 x 7,5 x 7,5 (en millimètres). Les métallisations d'électrodes sont en argent, ont une épaisseur de 50 µ environ, et sont déposées à l'aide d'une laque par sérigraphie.
  • L'ensemble du résonateur est placé dans un boîtier en aluminium, la distance entre les faces des résonateurs et les parois supérieures et inférieures du boîtier étant de l'ordre de 3 mm.
  • Dans toute la description on a utilisé le terme électrode pour définir les parois conductrices de la cavité résonante.

Claims (6)

1. Filtre diélectrique à fréquence centrale variable comportant au moins un résonateur diélectrique (RES!, RES2) constitué d'un corps (4, 14) en céramique diélectrique revêtu d'électrodes (1, 2, 3, 11, 12, 13) ainsi que des moyens de couplage électromagnétiques (I1, SI) d'entrée et de sortie de signal sur le filtre, caractérisé en ce qu'il comporte une capacité variable (Dl, D2) connectée entre les électrodes (1, 2, 11, 12) du résonateur (RESI, RES2), dans une zone capacitive dudit résonateur, permettant de faire varier continuement la fréquence centrale dudit filtre.
2. Filtre diélectrique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de résonateurs diélectriques (RESI, RES2) disposés à proximité les uns des autres et couplés entre eux électromagnétiquement par l'air.
3. Filtre diélectrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque résonateur (RES1, RES2) est du type quart-d'onde, comportant un barreau parallélépipédique ayant quatre grandes faces et deux petites faces, métallisé sur deux grandes faces (1, 2, 11, 12) et sur une petite face (3, 13) située dans le prolongement des deux grandes faces.
4. Filtre selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que les résonateurs sont solidaires d'un support ayant un faible facteur de pertes, par l'une de leurs grandes faces non métallisées, les petites faces métallisées (3, 13) étant situées dans un même côté des faces (1, 2, 11, 12).
5. Filtre selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que l'entrée et/ou la sortie du signal s'effectue sur une électrode placée sur une grande face (1, 2, 11, 12), en un point proche de la petite face métallisée (3, 13), tandis que la capacité variable (Dl, D2) est branchée entre les extrémités des électrodes (1, 2, 11, 12) placées sur les grandes faces, à proximité de la petite face non métallisée.
6. Filtre selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la capacité variable est une diode à capacité variable (DI, D2) associéaà des moyens de polarisation correspondants (LI, L2).
EP85401036A 1984-05-30 1985-05-28 Filtre diélectrique à fréquence centrale variable Withdrawn EP0165158A1 (fr)

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