EP0326498A1 - Circuit résonnant et filtre utilisant ce circuit - Google Patents

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EP0326498A1
EP0326498A1 EP89400242A EP89400242A EP0326498A1 EP 0326498 A1 EP0326498 A1 EP 0326498A1 EP 89400242 A EP89400242 A EP 89400242A EP 89400242 A EP89400242 A EP 89400242A EP 0326498 A1 EP0326498 A1 EP 0326498A1
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EP
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resonant circuit
microstrip
filter
ground plane
mhz
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Henry Havot
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Orange SA
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Ministere des PTT
Telediffusion de France ets Public de Diffusion
France Telecom SA
Etat Francais
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    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
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    • H01P1/20—Frequency-selective devices, e.g. filters
    • H01P1/201—Filters for transverse electromagnetic waves
    • H01P1/203—Strip line filters
    • H01P1/20327—Electromagnetic interstage coupling
    • H01P1/20354—Non-comb or non-interdigital filters
    • H01P1/20381—Special shape resonators
    • 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
    • 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
    • H01P7/088—Tunable resonators

Definitions

  • the present invention relates to a resonant circuit and a filter using this circuit.
  • the technical field of the invention is radioelectricity, electronics, filtering and multiplexing of frequencies, etc.
  • the invention finds a particular application in the construction of stations for receiving television signals broadcast by satellites.
  • One of the problems posed in this technique is to produce, in the reception station, a filter operating in the frequency band 950-1750 MHz and making it possible to very easily rearrange the frequency plans, according to the availability of channels and user demand.
  • the object of the present invention is precisely to remedy this deficiency by proposing a circuit and a filter which have all these advantages.
  • Ring resonators which operate on the principle of establishing a standing wave regime.
  • a conductive tape or microstrip is used, the length of which is equal to the wavelength associated with the resonant frequency (or possibly at half the wavelength).
  • the shape of the ribbon is limited to a few simple shapes capable of leading to a high overvoltage. There are therefore in practice always circular rings or possibly U. Furthermore, in this prior art, the dimension of the circuit is, in essence, of the order of the wavelength. As soon as the frequency becomes low, the dimensions of the resonator become prohibitive. For example, at 30 MHz a prior art resonator constituted by a circular ribbon will have a diameter of 1.60 m.
  • the object of the present invention is precisely to remedy these drawbacks. To this end, it recommends a resonant circuit still using a conductive tape but under very different operating conditions from those of the prior art.
  • the ribbon plays the role of pure inductance in the band of use of the circuit. To do this, its length is taken less than ⁇ / 8, if ⁇ is the wavelength associated with the working frequency of the resonator.
  • the ribbon is a simple inductive element means that its shape is in no way critical. It is therefore possible to retain any desired shape, in particular shapes that allow the ribbon to be folded up to save space.
  • the present invention also relates to a filter comprising several resonant circuits as defined above. These circuits (identical or different) are coupled to each other.
  • the coupling is tight, critical or loose depending on the case.
  • shape of the ribbon is not critical, as has been pointed out above, we are free to choose the shape best suited to the chosen coupling.
  • the invention thus finds a wide field of application. Filters from 30 MHz to 2 or 3 GHz can be produced. Bandwidth ranges from a few fractions of a percent to about 10%.
  • a resonant circuit according to the invention is shown in Figure 1, in top view (a), in section (b) and in a variant with a metal case (c).
  • This element comprises a flat substrate 10, made of dielectric material (for example epoxy glass, Teflon, etc.).
  • a conductive layer 12 made of copper for example
  • a microstrip 14 made of conductive material ( copper for example).
  • the circuit is arranged in a metal case 20 and the ground plane is constituted by the metal walls 22 lower and upper.
  • the microstrip draws an "open" outline in the sense that it incompletely surrounds part of the plane. In other words, it has at least one opening.
  • this outline is rectangular and the opening (single) is referenced 16.
  • Connected through this opening is a capacitor 18 adjustable or adjusted once and for all.
  • the length of the microstrip is designated by l and by ⁇ the wavelength in the substrate at the operating frequency.
  • the length l is always less than or equal to ⁇ / 8 in order to be able to be assimilated to an inductor independent of the frequency.
  • the wavelength ⁇ o in the substrate corresponding to fo is determined, then the value of ⁇ o / 8 and a microstrip length less than this value is chosen.
  • the value of the inductance L can be obtained approximately by the formula:
  • - L is the value of the inductance expressed in Henry
  • - l is the length of the microstrip, in meters
  • - Z is the line impedance, in Ohm
  • - v is the phase speed.
  • - c is the phase speed in a vacuum (i.e. 3.108 m / s)
  • - ⁇ reff is the effective dielectric constant of the substrate
  • - ⁇ r is the dielectric constant of the substrate
  • - h is the thickness of the substrate
  • - W is the width of the microstrip.
  • the parasitic capacitance Cp value can be obtained by a formula of the type: Cp ⁇ 17.7 ⁇ r. H ( ) (5) where H denotes a coefficient, a function of the geometry of the circuit.
  • the parameters of the resonant circuit are defined.
  • the length of the coupled microstrip and the degree of coupling are determined experimentally.
  • FIG. 5 shows a complete filter composed of five circuits C1 to C5 on a single substrate 10 with an input microstrip E and an output microstrip S.
  • the filter of the invention uses a direct coupling at the input and output which performs the adaptation between the first and the last resonators and the circuits of use.
  • the contours drawn by the microstrip are rectangular, two adjacent contours having two parallel sides. But we could also use triangular circuits for example mounted head to tail.
  • circuits can be nested one inside the other.
  • FIG. 6 gives the main dimensions of an example of a filter designed to have a central frequency fo equal to 1131.620 MHz. Dimensions are in millimeters. The capacitors are adjustable from 0.5 to 5 pF. The substrate is made of 16/10 mm thick epoxy glass.
  • the contours drawn by the microstrips are U-shaped, that is to say rectangles with one side missing.
  • the orientation of these U alternates from one resonator to another, so that the capacitors are placed on both sides of the filter, sometimes at the top, sometimes at the bottom (in the sense of figure 6).
  • Figures 7, 8 and 9 show the attenuation characteristic of a filter obtained according to the invention, with different frequency scales (on the abscissa).
  • the curve goes from 1 to 2000 MHz; in FIG. 8, the width of the measurement band is 100 MHz; in Figure 9, it is 40 MHz.
  • the curve in FIG. 10 represents the group time characteristic of the filter in nanoseconds by division.

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  • Electromagnetism (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)

Abstract

Circuit résonnant et filtre utilisant ce circuit. Le circuit résonnant comprend, sur un substrat diélectrique (10), des microrubans conducteurs (14) dessinant chacun un contour ouvert, un condensateur (18) étant connecté à travers chaque ouverture. La longueur du microruban est inférieure à λ/8. Application en radioélectricité et notamment dans la réalisation de filtres pour stations de réception de signaux de télévision diffusés par satellite.

Description

    DESCRIPTION
  • La présente invention a pour objet un circuit résonnant et un filtre utilisant ce circuit. Le domaine technique de l'invention est la radioélectricité, l'électronique, le filtrage et le multiplexage de fréquences, etc...
  • L'invention trouve une application particulière dans la réalisation de stations de réception de signaux de télévision diffusés par satellites.
  • L'un des problèmes posés dans cette technique est de réaliser, dans la station de réception, un filtre fonctionnant dans la bande de fréquences 950-1750 MHz et permettant de réaménager très facilement les plans de fréquences, en fonction des disponibilités en canaux et de la demande des usagers.
  • Parmi les nombreux types de filtres existants (du type à cellules LC couplées, hélicoïdaux, coaxiaux, à quartz, à guide d'onde, à résonateur diélectrique,...), il n'en existe pas qui présente à la fois un faible coût, une grande facilité de réglage, une bonne stabilité et une plage de fonctionnement allant de fréquences aussi basses que quelques dizaines de mégahertz à des fréquences supérieures à 2000 MHz.
  • La présente invention a justement pour but de remédier à cette carence en proposant un circuit et un filtre qui présentent tous ces avantages.
  • On connaît des résonateurs en anneau fonctionnant selon le principe de l'établissement d'un régime d'ondes stationnaires. Un ruban conducteur (ou micro-ruban) est utilisé dont la longueur est égale à la longueur d'onde associée à la fréquence de résonance (ou éventuellement à la demi-longueur d'onde).
  • De tels résonateurs en anneau sont décrits par exemple dans l'article intitulé "On the Study of Microstrip Ring and Varactor-Tuned Ring Circuits'' publié dans la revue IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. MIT-35, n°12, Décembre 1987, pp. 1288-1294 ou encore dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique US-A-4,121,182 pour "Electrical Tuning Circuit", ou encore dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique US-­A-4,641,116 pour "Microwave Filter", ou encore dans la demande de brevet français FR-A-2 248 621 pour "Dispostif micro-ondes muni d'un résonateur demi-onde" et enfin dans la demande de brevet européen EP-A-0 071 508 pour "Filtre hyperfréquence de petites dimensions à résonateurs linéaires".
  • Dans cet art antérieur la forme du ruban est limitée à quelques formes simples aptes à conduire à une forte surtension. On trouve donc en pratique toujours des anneaux circulaires ou éventuellement des U. Par ailleurs, dans cet art antérieur, la dimension du circuit est, par essence, de l'ordre de la longueur d'onde. Dès que la fréquence devient basse, les dimensions du résonateur deviennent prohibitives. Par exemple, à 30 MHz un résonateur de l'art antérieur constitué par un ruban circulaire aura un diamètre de 1,60 m.
  • La présente invention a justement pour but de remédier à ces inconvénients. A cette fin elle préconise un circuit résonnant utilisant encore un ruban conducteur mais dans des conditions de fonctionnement très différentes de celles de l'art antérieur. Dans l'invention, le ruban joue le rôle d'inductance pure dans la bande d'utilisation du circuit. Pour ce faire, sa longueur est prise inférieure à λ/8, si λ est la longueur d'onde associée à la fréquence de travail du résonateur.
  • Le fait que le ruban soit un simple élément inductif entraîne que sa forme n'est en rien critique. Il est donc possible de retenir toute forme désirée, en particulier des formes qui permettent un repliement du ruban pour obtenir un gain de place.
  • Par ailleurs, la limitation de la longueur du ruban en­dessous de λ/8, a pour effet de diminuer l'encombrement du circuit. Combinée à la faculté de repliement, cette disposition permet d'obtenir des circuits de très faibles dimensions. Ainsi, pour reprendre l'exemple d'un circuit résonnant à 30 MHz, l'invention permet de construire un circuit de 15×2 centimètres, à comparer à l'anneau de 1,60 m de diamètre de l'art antérieur : la réduction dans les dimensions est donc d'un facteur 10.
  • Si cette réduction est particulièrement appréciable lorsque la fréquence est basse, puisqu'elle permet d'éviter des filtres d'encombrement prohibitif, elle n'est pas négligeable pour autant lorsque la fréquence est élevée, car alors le filtre présente alors des dimensions tellement faibles qu'une intégration devient possible.
  • La présente invention a également pour objet un filtre comprenant plusieurs circuits résonnants tels qu'ils ont été définis plus haut. Ces circuits (identiques ou différents) sont couplés les uns aux autres. Le couplage est serré, critique ou lâche selon le cas. Comme la forme du ruban n'est pas critique, ainsi qu'il a été souligné plus haut, on a toute latitude pour choisir la forme la mieux appropriée au couplage choisi.
  • L'invention trouve ainsi un vaste domaine d'application. Des filtres de 30 MHz à 2 ou 3 GHz peuvent être réalisés. La bande passante va de quelques fractions de pourcent à environ 10%.
  • De toute façon, les caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lumière de la description qui suit. Cette description porte sur des exemples donnés à titre explicatif et non limitatif et elle se réfère à des dessins annexés sur lesquels :
    • - la figure 1 montre un circuit résonnant,
    • - la figure 2 illustre le schéma électrique équivalent du circuit résonnant,
    • - la figure 3 montre une variante à ruban triangulaire,
    • - la figure 4 illustre une variante à contour replié,
    • - la figure 5 montre un filtre selon l'invention dans sa totalité,
    • - la figure 6 donne les dimensions d'un filtre selon un exemple de réalisation,
    • - la figure 7 montre une caractéristique d'atténuation d'un filtre passe-bande conforme à l'invention, dans une plage allant de 1 MHz à 2000 MHz,
    • - la figure 8 montre l'atténuation de ce même filtre autour de la fréquence centrale, dans une bande de largeur 100 MHz,
    • - la figure 9 montre la caractéristique d'un filtre passe-bande selon l'invention autour de la fréquence centrale dans une bande de 40 MHz,
    • - la figure 10 montre une autre caractéristique (temps de groupe) d'un filtre passe-bande selon l'invention autour de la fréquence centrale, dans une bande de 100 MHZ.
  • Un circuit résonnant selon l'invention est représenté sur la figure 1, en vue de dessus (a), en coupe (b) et dans une variante à boîtier métallique (c). Cet élément comprend un substrat plan 10, en matériau diélectrique (par exemple en verre époxy, en téflon,...). Sur la face inférieure de ce substrat, on trouve dans la variante des figures (a) et (b), une couche conductrice 12 (en cuivre par exemple) formant plan de masse et sur la face supérieure, un microruban 14 en matériau conducteur (en cuivre par exemple). Dans la variante de la figure c, le circuit est disposé dans un boîtier métallique 20 et le plan de masse est constitué par les parois métalliques 22 inférieure et supérieure. Le microruban dessine un contour "ouvert" en ce sens qu'il entoure incomplètement une partie du plan. En d'autres termes, il présente au moins une ouverture. Sur la figure 1, ce contour est rectangulaire et l'ouverture (unique) est référencée 16. Connecté à travers cette ouverture se trouve un condensateur 18 réglable ou ajusté une fois pour toutes.
  • Le schéma électrique équivalent est représenté sur la figure 2 en considérant encore l'élément en vue de dessus (a) et en coupe (b) dans la variante où le plan de masse est disposé sous le substrat. Sur cette figure, on voit une inductance L, due au microruban non rectiligne, un condensateur d'accord Ca connecté entre les extrémités du ruban, et des condensateurs parasites Cp, qui correspondent au volume séparant le microruban et le plan de masse.
  • Le fonctionnement de ce résonateur est alors le suivant.
  • On désigne par l la longueur du microruban et par λ la longueur d'onde dans le substrat à la fréquence de fonctionnement. La longueur l est toujours inférieure ou égale à λ/8 pour pouvoir être assimilé à un élément de self indépendant de la fréquence.
  • Soit fo la fréquence centrale du filtre à réaliser ; cette fréquence est déterminée par la relation classique :
    Figure imgb0001
     où L est l'inductance et C la capacité équivalente du résonateur.
  • On commence par déterminer une valeur de L réalisable pratiquement. On détermine pour cela la longueur d'onde λo dans le substrat correspondant à fo, puis la valeur de λ o/8 et on choisit une longueur de microruban inférieure à cette valeur. La valeur de l'inductance L peut être obtenue de manière approchée par la formule :
    Figure imgb0002
  • Dans cette expression :
    - L est la valeur de l'inductance exprimée en Henry,
    - l est la longueur du microruban, en mètre,
    - Z est l'impédance de la ligne, en Ohm, et
    - v est la vitesse de phase.
  • On a par ailleurs :
    Figure imgb0003
     expression dans laquelle :
    - c est la vitesse de phase dans le vide (soit 3.10⁸ m/s),
    - ε reff est la constante diélectrique efficace du substrat,
    Figure imgb0004
     où :
    - εr est la constante diélectrique du substrat,
    - h est l'épaisseur du substrat,
    - W est la largeur du microruban.
  • La valeur Cp de la capacité parasite peut être obtenue par une formule du type :
    Cp ≃17,7 εr. H (
    Figure imgb0005
    )      (5)
    où H désigne un coefficient, fonction de la géométrie du circuit.
  • La valeur de la capacité d'accord Ca à placer entre les deux extrémités du ruban se déduit de la formule (1), sachant que :
    C = Ca +
    Figure imgb0006
          (6)
  • Ainsi, se trouvent définis les paramètres du circuit résonnant. La longueur du microruban couplé et le degré de couplage sont déterminés expérimentalement.
  • Quand la fréquence fo croît, la valeur et les dimensions des éléments L et C décroissent et l'on se heurte à une limite dans la réalisation pratique du filtre. Mais cette limite peut être dépassée si l'on répartit la capacité le long du microruban.
  • Sur la figure 3, par exemple, on voit que le contour (qui est triangulaire) dessiné par le microruban présente deux ouvertures 16, 16′(au lieu d'une seule). Chacune peut être pourvue d'un condensateur réglable 18, 18′. Chaque condensateur peut alors avoir une capacité de 2 Ca.
  • Naturellement, on pourraît utiliser plus de deux condensateurs, le cas échéant.
  • Pour repousser encore ces limites, on peut utiliser un substrat ayant une faible constante diélectrique (les relations 2-3 et 4 montrent en effet que si εr diminue εreff diminue, v augmente et L diminue pour une longueur l donnée).
  • Inversement, quand la fréquence fo décroît, la valeur et les dimensions des éléments L et C croissent et l'on atteint une autre limite à la réalisation pratique du filtre. Pour la franchir, il est possible de réduire les dimensions de la cellule en repliant le microruban comme illustré sur la figure 4. Mais cette solution réduit la longueur de couplage avec la cellule suivante.
  • La figure 5 montre un filtre complet composé de cinq circuits C1 à C5 sur un substrat unique 10 avec une microbande d'entrée E et une microbande de sortie S.
  • On notera également que le filtre de l'invention utilise en entrée et en sortie un couplage direct qui réalise l'adaptation entre le premier et le dernier résonateurs et les circuits d'utilisation.
  • Dans le cas illustré sur la figure 5, les contours dessinés par le microruban sont rectangulaires, deux contours adjacents ayant deux côtés parallèles. Mais on pourrait utiliser aussi des circuits triangulaires par exemple montés tête-bêche.
  • Dans une autre variante on peut imbriquer les circuits les uns dans les autres.
  • La figure 6 donne les principales dimensions d'un exemple de filtre conçu pour présenter une fréquence centrale fo égale à 1131,620 MHz. Les dimensions sont en millimètres. Les condensateurs sont réglables de 0,5 à 5 pF. Le substrat est en verre époxy de 16/10 de mm d'épaisseur.
  • Dans cet exemple de réalisation, les contours dessinés par les microrubans sont en forme de U, c'est-à-dire de rectangles auxquels il manque un côté. L'orientation de ces U alterne d'un résonateur à l'autre, de sorte que les condensateurs sont placés des deux côtés du filtre, tantôt en haut, tantôt en bas (au sens de la figure 6).
  • Les figures 7, 8 et 9 montrent la caractéristique d'atténuation d'un filtre obtenu selon l'invention, avec des échelles de fréquence (en abscisses) différentes. Sur la figure 7, la courbe va de 1 à 2000 MHz ; sur la figure 8, la largeur de la bande de mesure est de 100 MHz ; sur la figure 9, elle est de 40 MHz.
  • La courbe de la figure 10 représente la caractéristique de temps de groupe du filtre en nanoseconde par division.
  • Naturellement, si la description qui précède met l'accent sur des contours rectangulaires ce n'est qu'à titre explicatif. Toute autre forme est possible : triangulaire, circulaire, elliptique, en losange, etc.

Claims (6)

1. Circuit résonnant comprenant :
- un conducteur (12) formant plan de masse,
- en regard de ce plan de masse un microruban conducteur (14) déposé sur l'une des faces d'un substrat diélectrique, ce microruban dessinant un contour ayant une ouverture,
- un condensateur (18) connecté à travers l'ouverture (16) du contour,
caractérisé par le fait que la longueur du microruban est inférieue à λ/8, où λ est la longueur d'onde associée à la fréquence de résonance.
2. Circuit résonnant selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le conducteur formant plan de masse est une couche conductrice déposée sur l'autre face du substrat (10) en matériau diélectrique.
3. Circuit résonnant selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il est disposé dans un boîtier conducteur (20) et que le conducteur formant plan de masse est constitué par le boîtier (20-22).
4. Circuit résonnant selon la revendication 1,
caractérisé par le fait que le contour présente au moins en partie une forme prise dans le groupe qui comprend les formes rectangulaire, triangulaire, circulaire, elliptique, en l sange, en U, etc..
5. Circuit résonnant selon la revendication 1, caractérisé par le fait que contour présente plusieurs ouvertures (16, 16′) pourvue chacune d'un condensateur (18, 18′).
6. Filtre à résonateurs plans, caractérisé par le fait qu'il comprend plusieurs circuits résonnants selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, couplés entre eux.
EP19890400242 1988-01-29 1989-01-27 Circuit résonnant et filtre utilisant ce circuit Expired - Lifetime EP0326498B1 (fr)

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