EP1117146A1

EP1117146A1 - Resonator, especially for a microwave filter and filter with such a resonator

Info

Publication number: EP1117146A1
Application number: EP01400061A
Authority: EP
Inventors: Yannick Latouche; Serge Vigneron
Original assignee: Alcatel CIT SA; Alcatel SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 2000-01-12
Filing date: 2001-01-11
Publication date: 2001-07-18
Anticipated expiration: 2021-01-11
Also published as: FR2803693B1; DE60133500T2; ES2304372T3; CA2332381A1; EP1117146B1; FR2803693A1; ATE392021T1; US20010007439A1; JP2001244712A; CA2332381C; US6462634B2; DE60133500D1; JP4527293B2

Abstract

The resonator has a cavity (1) in form of a circular cylinder and contains resonator elements (4,4') that are thin and plane, each being made of a dielectric material in a shape that is proximately square. Wherein the resonator uses two elements in parallel.

Description

L'invention concerne un résonateur hyperfréquence du type à cavité résonante, dotée d'une paroi conductrice, dans laquelle un élément résonateur en matériau diélectrique est positionné. Elle concerne aussi un filtre hyperfréquence comportant plus particulièrement ce résonateur.The invention relates to a cavity type microwave resonator. resonant, provided with a conductive wall, in which a resonator element dielectric material is positioned. It also relates to a microwave filter comprising more particularly this resonator.

Comme il est connu, et comme notamment indiqué dans le préambule du brevet français 2734084, de tels résonateurs hyperfréquences ont pour caractéristique de ne pouvoir être excités que dans une étroite bande de fréquence s'étendant autour d'une fréquence de résonance. Ils sont classiquement mis en oeuvre pour réaliser des filtres hyperfréquences organisés autour d'un ou de plusieurs de ces résonateurs montés en série. Comme le signalait, ce brevet 2734084, les résonateurs et filtres hyperfréquences réalisés antérieurement avaient une conception qui les rendait délicats à produire. Par ailleurs, les échanges thermiques entre les éléments résonateurs et les cavités, dans lesquelles ces éléments étaient placés, se révélaient insuffisants, ceci étant notamment du à la présence d'organes réalisés en matériau thermiquement isolant, pour le maintien des éléments résonateurs en position. Différents éléments résonateurs ont donc été proposés dans le brevet mentionné plus haut, pour résoudre les problèmes évoqués ci-dessus. L'une des variantes présentées prévoit la mise en oeuvre d'un élément résonateur mince et plan qui est positionné dans une cavité résonante et à paroi conductrice. Cet élément est réalisé en matériau diélectrique sous une forme au moins approximative de parallélogramme, il est dimensionné et monté de telle manière que les sommets du parallélogramme sont court-circuités entre eux par la paroi conductrice, soit conductivement, soit seulement pour les ondes hyperfréquences. Toutefois, le résonateur obtenu selon cette variante a pour inconvénient de ne pas permettre une récupération suffisante de l'énergie qui lui est fournie et d'être relativement difficile à régler.As is known, and as notably indicated in the preamble of the French patent 2734084, such microwave resonators have for characteristic of being able to be excited only in a narrow frequency band extending around a resonant frequency. They are conventionally implemented to make microwave filters organized around one or more of these resonators connected in series. As reported, this patent 2734084, the resonators and microwave filters made previously had a design that made it tricky to produce. Furthermore, the heat exchanges between the elements resonators and the cavities, in which these elements were placed, appeared insufficient, this being in particular due to the presence of organs made of material thermally insulating, to keep the resonator elements in position. Different resonator elements have therefore been proposed in the patent mentioned more above, to solve the problems mentioned above. One of the variants presented provides for the implementation of a thin and planar resonator element which is positioned in a resonant cavity with a conductive wall. This element is made of material dielectric in at least an approximate form of parallelogram it is dimensioned and mounted in such a way that the vertices of the parallelogram are short-circuited together by the conductive wall, either conductively or only for microwave waves. However, the resonator obtained according to this variant has the disadvantage of not allowing sufficient recovery of the energy which provided and to be relatively difficult to resolve.

La présente invention propose donc un résonateur hyperfréquence, notamment pour filtre, comportant une cavité, résonante et à paroi conductrice, dans laquelle sont positionnés un élément résonateur plan, des moyens d'accord fréquentiel et des moyens de couplage intermode, l'élément résonateur plan étant réalisé en matériau diélectrique sous une forme au moins approximative de parallélogramme et étant disposé transversalement dans la cavité de manière que les sommets du parallélogramme qu'il forme, soient au moins hyperfréquentiellement court-circuités entre eux par la paroi conductrice.The present invention therefore proposes a microwave resonator, especially for a filter, comprising a cavity, resonant and with a conductive wall, in which are positioned a planar resonator element, tuning means frequency and intermodal coupling means, the planar resonator element being made of dielectric material in at least an approximate form of parallelogram and being arranged transversely in the cavity so that the vertices of the parallelogram that it forms, are at least hyper-frequency short-circuited between them by the conductive wall.

Selon une caractéristique de l'invention, ledit résonateur comporte au moins un autre élément résonateur plan, réalisé en matériau diélectrique sous une forme au moins approximative de parallélogramme, les éléments résonateurs étant disposés proches, parallèles entre eux et transversalement à un axe central de la cavité, ainsi que des moyens d'accord fréquentiel et des moyens de couplage intermode positionnés entre les éléments résonateurs parallèles. Ceci conduit à ce que le résonateur ait une bande utile agrandie.According to a characteristic of the invention, said resonator comprises at least another planar resonator element, made of dielectric material in a form less approximate parallelogram, the resonator elements being arranged close, parallel to each other and transversely to a central axis of the cavity, thus that frequency tuning means and intermode coupling means positioned between the parallel resonator elements. This leads to the resonator has an enlarged useful band.

L'invention propose aussi un filtre hyperfréquence, qui est caractérisé en ce qu'il comporte au moins un résonateur hyperfréquence, tel qu'évoqué ci-dessus, auquel sont associés des moyens d'injection d'énergie hyperfréquence en entrée de filtre, pour l'excitation du ou des résonateurs, et des moyens d'extraction de l'énergie de résonance en sortie de filtre, ainsi que des moyens de couplage entre résonateurs en série, lorsque le filtre comporte plus d'un résonateur.The invention also provides a microwave filter, which is characterized in that that it comprises at least one microwave resonator, as mentioned above, which are associated with microwave energy injection means at the input of filter, for excitation of the resonator (s), and energy extraction means resonance filter output, as well as coupling means between resonators in series, when the filter includes more than one resonator.

L'invention, ses caractéristiques et ses avantages sont précisés dans la description qui suit en liaison avec les figures évoquées ci-dessous.The invention, its characteristics and its advantages are specified in the description which follows in conjunction with the figures mentioned below.

La figure 1 présente un schéma d'un résonateur hyperfréquence, selon l'invention.Figure 1 shows a diagram of a microwave resonator, according to the invention.

La figure 2 présente une vue en coupe du résonateur selon la figure 1.FIG. 2 shows a sectional view of the resonator according to FIG. 1.

La figure 3 présente un schéma en coupe d'un filtre hyperfréquence comportant des résonateurs selon l'invention.Figure 3 shows a sectional diagram of a microwave filter comprising resonators according to the invention.

La figure 4 présente un diagramme illustrant la réponse en transmission et les pertes en réflexion d'un exemple de filtre selon l'invention.FIG. 4 presents a diagram illustrating the response in transmission and the reflection losses of an example filter according to the invention.

Le résonateur hyperfréquence, présenté sur la figure 1, comporte une cavité résonante 1, dont la paroi 2 est électriquement conductrice. Comme il est connu, cette cavité peut avoir une section quadrangulaire ; dans la forme préférée de réalisation présentée, cette cavité est à section transversale circulaire et elle s'étend intérieurement sur la longueur d'un élément de tube cylindrique de révolution 3 dont les extrémités sont obturées. L'élément de tube est par exemple réalisé en un métal bon conducteur.The microwave resonator, shown in Figure 1, has a cavity resonant 1, the wall 2 of which is electrically conductive. As is known, this cavity may have a quadrangular section; in the preferred form of embodiment shown, this cavity is of circular cross section and it extends internally along the length of a cylindrical tube element of revolution 3 of which the ends are closed. The tube element is for example made of a metal good driver.

Des éléments résonateurs plans, tels 4 et 4', sont montés dans la zone centrale de la cavité où ils sont disposés en parallèle, transversalement à l'axe longitudinal central YY' de cette cavité et à proximité l'un de l'autre. Ces éléments résonateurs sont réalisés en un matériau diélectrique qui possède préférablement une forte constante diélectrique E, un fort facteur de surtension Q et un faible coefficient de variation de fréquence de résonance en fonction de la température.Flat resonator elements, such as 4 and 4 ', are mounted in the area central cavity where they are arranged in parallel, transverse to the axis longitudinal central YY 'of this cavity and close to one another. These elements resonators are made of a dielectric material which preferably has a high dielectric constant E, high overvoltage factor Q and low coefficient variation in resonant frequency as a function of temperature.

Dans une forme préférée de réalisation le résonateur est excité en mode fondamental TE 101, celui-ci permet en effet d'obtenir des fréquences d'utilisation relativement les plus basses possibles pour des dimensions données du résonateur. In a preferred embodiment the resonator is excited in mode fundamental TE 101, this makes it possible to obtain frequencies of use relatively the lowest possible for given dimensions of the resonator.

Les éléments résonateurs sont essentiellement plans, même s'ils sont susceptibles de comporter des ouvertures de type iris à des fins de couplage et des variations localisées d'épaisseur, telles que notamment des surépaisseurs dans des zones de liaison thermique. Comme déjà proposé dans le brevet français 2734084, ils se présentent de préférence et au moins approximativement sous la forme de parallélogrammes. Dans l'exemple de réalisation présenté, les éléments résonateurs sont de forme carrée. Les sommets des parallélogrammes, ou carrés, sont adoucis pour épouser la forme de la paroi intérieure de la cavité où ils sont positionnés et avec laquelle ils assurent l'essentiel des échanges thermiques, pour l'élément résonateur dont ils font partie, lorsque celui-ci est excité. Dans l'exemple illustré, les sommets des carrés qui constituent les éléments résonateurs 4, 4' sont donc arrondis complémentairement par rapport à la paroi interne 2 du cylindre de révolution délimitant la cavité 1. La liaison entre ces sommets et la paroi 2 s'effectue soit par conduction directe, si les éléments résonateurs sont directement fixés en appui contre cette paroi, comme montré sur la figure 2. Elle s'effectue hyperfréquentiellement, si chaque sommet s'appuie contre la paroi par un mince élément intermédiaire de fixation, d'une manière connue non développée ici. Cet élément est par exemple de nature élastique, pour maintenir chaque élément résonateur en position, tout en compensant les variations dimensionnelles dues aux variations de température. Un tel montage peut être conçu de manière connue pour permettre de réaliser un couplage hyperfréquentiel entre les éléments résonateurs et la paroi interne d'une cavité résonante à la fréquence de fonctionnement.The resonator elements are essentially planar, even if they are likely to have iris-like openings for coupling purposes and localized variations in thickness, such as in particular excess thicknesses in thermal bonding areas. As already proposed in French patent 2734084, they are preferably and at least approximately in the form of parallelograms. In the exemplary embodiment presented, the resonator elements are square in shape. The vertices of the parallelograms, or squares, are softened to match the shape of the interior wall of the cavity where they are positioned and with which they provide most of the heat exchange, for the element resonator of which they are a part, when the latter is excited. In the example shown, the vertices of the squares which constitute the resonator elements 4, 4 ′ are therefore rounded in addition to the internal wall 2 of the cylinder of revolution delimiting the cavity 1. The connection between these vertices and the wall 2 takes place either by direct conduction, if the resonator elements are directly fixed in abutment this wall, as shown in FIG. 2. It takes place hyper-frequency, if each vertex is pressed against the wall by a thin intermediate element of fixing, in a known manner not developed here. This element is for example from elastic nature, to hold each resonator element in position, while compensating for dimensional variations due to temperature variations. Such mounting can be designed in a known manner to allow coupling microwave between the resonator elements and the internal wall of a cavity resonant to the operating frequency.

Les éléments résonateurs logés à l'intérieur d'une cavité sont préférablement positionnés l'un près de l'autre dans la zone médiane de la cavité et des moyens d'accord en fréquence, ainsi que des moyens de couplage, sont prévus dans un intervalle ménagé pour leur positionnement entre les résonateurs parallèles, ainsi qu'on le voit sur la figure 1.The resonator elements housed inside a cavity are preferably positioned close to each other in the middle zone of the cavity and means frequency tuning, as well as coupling means, are provided in a space provided for their positioning between the parallel resonators, thus as seen in Figure 1.

Ces divers moyens, connus, sont ici symbolisés par une première vis de réglage d'accord 5, sur un premier mode. Cette première vis est disposée perpendiculairement à l'axe YY' de la cavité dont elle traverse la paroi, de manière à plus ou moins saillir dans la cavité. Une seconde vis 6 de réglage d'accord sur un second mode est montée, coplanaire et de manière analogue, selon un axe perpendiculaire à celui de la vis 5. Une troisième vis d'accord 7 permet de faire varier le couplage d'énergie entre les modes d'excitation du résonateur, elle est montée dans le plan des deux autres vis, à 45° d'angle par rapport à l'axe de chacune de celles-ci. These various means, known, are here symbolized by a first screw tuning setting 5, in a first mode. This first screw is arranged perpendicular to the axis YY 'of the cavity whose wall it crosses, so that more or less protrude into the cavity. A second adjusting screw 6 on a second mode is mounted, coplanar and similarly, along an axis perpendicular to that of screw 5. A third tuning screw 7 allows to vary the energy coupling between the excitation modes of the resonator, it is mounted in the plane of the other two screws, at 45 ° angle to the axis of each of these.

Comme indiqué, la mise en parallèle d'éléments résonateurs, tels que 4 et 4', permet d'élargir la bande utile du résonateur hyperfréquence, qui les comporte, en permettant une meilleure excitation des modes. Un gain de l'ordre de 3,4 est par exemple obtenu avec un résonateur hyperfréquence à cavité cylindrique de révolution contenant deux éléments résonateurs plans et de forme carrée dont les sommets sont court-circuités par la paroi interne de la cavité.As indicated, the parallelization of resonator elements, such as 4 and 4 ′, makes it possible to widen the useful band of the microwave resonator, which includes them, by allowing a better excitation of the modes. A gain of around 3.4 is per example obtained with a microwave resonator with a cylindrical cavity of revolution containing two planar and square resonator elements whose vertices are short-circuited by the internal wall of the cavity.

Un facteur de qualité Q₀ élevé et une bonne isolation sont susceptibles d'être obtenus pour le mode fondamental TE 101 avec ce type de résonateur.A high quality factor Q ₀ and good insulation are likely to be obtained for the fundamental mode TE 101 with this type of resonator.

Le fait d'utiliser deux éléments résonateurs en parallèle offre notamment pour avantage de permettre d'obtenir au niveau d'un résonateur, comportant ces deux éléments, un résultat correspondant à celui qui serait obtenu avec un élément résonateur unique plus épais. Ceci est particulièrement intéressant, lorsqu'un tel élément épais n'est pas disponible. L'utilisation d'éléments résonateurs parallèlement disposés ayant des épaisseurs différentes, permet aussi d'obtenir une gamme de résonateurs hyperfréquences par combinaison d'éléments résonateurs se différenciant par leurs épaisseurs respectives et en conséquence par leurs fréquences de résonance. Une telle gamme peut notamment être obtenu en combinant un élément résonateur d'épaisseur donnée à des éléments résonateurs ayant chacun une épaisseur différente, par exemple croissante, dans des combinaisons composées chacune de deux éléments résonateurs. Il est aussi prévu de combiner un nombre d'éléments résonateurs qui soit supérieur à deux, si besoin est.The fact of using two resonator elements in parallel offers in particular for the advantage of making it possible to obtain at the level of a resonator, comprising these two elements, a result corresponding to that which would be obtained with an element thicker single resonator. This is particularly interesting, when such thick element is not available. The use of resonator elements in parallel arranged with different thicknesses, also makes it possible to obtain a range of microwave resonators by combination of differentiating resonator elements by their respective thicknesses and consequently by their frequencies of resonance. Such a range can in particular be obtained by combining an element resonator of thickness given to resonator elements each having a different thickness, for example increasing, in compound combinations each of two resonator elements. There are also plans to combine a number resonator elements which is greater than two, if necessary.

La figure 3 présente une coupe d'un filtre hyperfréquence 8 comportant une pluralité de résonateurs hyperfréquences, tels 1A et 1N, selon l'invention. Ces résonateurs sont alignés selon un même axe qui constitue l'axe longitudinal et central du filtre. Des parois transversales, telles 9A et 9N, sont placées dans l'élément tubulaire que constitue la suite des résonateurs hyperfréquences et séparent les cavités de ces résonateurs pris par deux. Ces cloisons sont agencées de manière à permettre le couplage entre les cavités des résonateurs qu'elles séparent. Ce couplage est susceptible d'être obtenu par tout moyen approprié et par exemple par une ouverture, telle 10A ou 10N, de type fente ou iris, ici supposée réalisée en milieu de cloison. Les cloisons, de même que l'élément tubulaire, sont réalisés dans les matériaux habituellement utilisés en ce domaine.Figure 3 shows a section of a microwave filter 8 comprising a plurality of microwave resonators, such as 1A and 1N, according to the invention. These resonators are aligned along the same axis which constitutes the longitudinal and central axis of the filter. Transverse walls, such as 9A and 9N, are placed in the element tubular that constitutes the series of microwave resonators and separates the cavities of these resonators taken by two. These partitions are arranged so as to allow coupling between the cavities of the resonators that they separate. This coupling is likely to be obtained by any suitable means and for example by an opening, such as 10A or 10N, of the slit or iris type, here assumed to be made in the middle of partition. The partitions, as well as the tubular element, are made in the materials usually used in this field.

Comme connu le filtre hyperfréquence 8 comporte une cavité d'entrée qui est ici constituée par la cavité résonante d'un résonateur selon l'invention, telle ici la cavité 1A. Celle-ci comporte des moyens de couplage externe lui permettant d'être reliée à une source d'énergie hyperfréquence fournissant le signal à traiter. Ces moyens de couplage sont situés en amont des éléments résonateurs 4A, 4A' que contient la cavité et ils sont par exemple constitués sous la forme d'une sonde 11. Dans un exemple préféré de réalisation, l'excitation de la cavité d'entrée est réalisée selon un mode TE, tel que TE 101, qui permet d'obtenir une fréquence de résonance relativement basse pour des dimensions données, ainsi qu'une bande utile de largeur améliorée par rapport au résonateur équivalent à un seul élément résonateur, comme déjà indiqué plus haut.As known the microwave filter 8 has an input cavity which is here constituted by the resonant cavity of a resonator according to the invention, such here the cavity 1A. This includes external coupling means allowing it to be connected to a microwave energy source providing the signal to be processed. These coupling means are located upstream of the resonator elements 4A, 4A 'that contains the cavity and they are for example constituted in the form of a probe 11. In a preferred embodiment, the input cavity is excited according to a TE mode, such as TE 101, which makes it possible to obtain a resonant frequency relatively low for given dimensions, as well as a useful width band improved compared to the resonator equivalent to a single resonator element, as already indicated above.

Un ou plusieurs résonateurs hyperfréquences sont susceptibles d'être montés en série à la suite du résonateur d'entrée, soit dans le même élément tubulaire, comme représenté, soit éventuellement dans des éléments tubulaires alignés et accolés. Chaque résonateur, selon l'invention, comporte deux éléments résonateurs dans une cavité, tels 4A et 4A' pour le résonateur dont la cavité est 1A, et des moyens d'accord et de couplage, tels ceux référencés 5A, 6A, 7A ou 5N, 6N, 7N pour les résonateurs dont les cavités sont 1A et 1N.One or more microwave resonators may be fitted in series following the input resonator, either in the same tubular element, as shown, either possibly in aligned tubular elements and joined. Each resonator according to the invention comprises two resonator elements in a cavity, such as 4A and 4A 'for the resonator whose cavity is 1A, and means agreement and coupling, such as those referenced 5A, 6A, 7A or 5N, 6N, 7N for resonators whose cavities are 1A and 1N.

Le résonateur, dont la cavité est ici référencée 1N et qui est situé en dernier dans la suite de résonateurs du filtre 8, comporte des moyens permettant d'extraire du filtre l'énergie hyperfréquence de résonance que celui-ci a permise de filtrer. Ces moyens d'extraction sont ici constitués par une sonde 12.The resonator, whose cavity is here referenced 1N and which is located last in the filter resonator suite 8, includes means for extracting of the filter the resonant microwave energy which it has allowed to filter. These extraction means here consist of a probe 12.

Un diagramme est présenté à titre d'exemple non limitatif sur la figure 4, il montre l'efficacité d'un filtre, selon l'invention. Les unités choisies pour les ordonnées sur ce diagramme sont respectivement de 10 dB par case pour la courbe de transmission, de 5 dB par case pour la courbe de pertes, ainsi que de 200 MHz par case pour les abscisses. Ce filtre a quatre pôles de 47 MHz de bande utile et il est supposé centrés sur une fréquence de 1655 MHz. La courbe T de transmission du filtre en fonction de la fréquence montre que sa fenêtre de transmission est de l'ordre de 47 MHz pour la fenêtre de transmission maximale et de l'ordre de 94 MHz à-25dB. La courbe R montre en correspondance, l'allure des pertes de réflexion en fonction de la fréquence.A diagram is presented by way of nonlimiting example in FIG. 4, it shows the effectiveness of a filter according to the invention. The units chosen for the ordinates on this diagram are respectively 10 dB per box for the curve transmission, 5 dB per box for the loss curve, as well as 200 MHz per box for the abscissa. This filter has four poles of 47 MHz of useful band and it is assumed to be centered on a frequency of 1655 MHz. The transmission curve T of filter as a function of frequency shows that its transmission window is around of 47 MHz for the maximum transmission window and of the order of 94 MHz at-25dB. The curve R shows in correspondence, the shape of the losses of reflection in frequency function.

Le choix des épaisseurs des éléments résonateurs et la souplesse de combinaison obtenue par association des éléments, notamment par paires, permet la réalisation et l'exploitation des filtres selon l'invention dans une gamme de fréquences élargie par rapport à ce qui était connu précédemment.The choice of thicknesses of the resonator elements and the flexibility of combination obtained by association of the elements, in particular in pairs, allows the production and use of filters according to the invention in a frequency range enlarged compared to what was previously known.

Claims

Microwave resonator, in particular for filter, comprising a cavity resonant (1) whose wall (2) is conductive, in which are positioned a planar resonator element (4), frequency tuning means (5) and means intermodal coupling (6, 7), the planar resonator element, made of material dielectric in at least an approximate parallelogram form, being arranged transversely in the cavity so that the vertices of the parallelogram are at least hyper-frequency short-circuited between them by the wall, said resonator being characterized in that it comprises at least another planar resonator element (4 '), made of dielectric material under a at least approximate form of parallelogram, the resonator elements being arranged close, parallel to each other and transversely to a central axis (YY ') of the cavity and in that the frequency tuning means and the means of Intermode coupling are positioned between the parallel resonator elements.

Microwave resonator according to claim 1, comprising at least two planar and parallel resonators having different thicknesses.

Microwave resonator according to one of claims 1, 2, in which the cavity has a cylindrical shape of revolution and contains resonator elements, thin and flat, each made of a dielectric material and in a form at least approximately square.

Microwave filter, comprising at least one microwave resonator according to one of the preceding claims to which injection means are associated energy source (11) placed upstream of the resonator (s) and means for extracting the resonance energy (12) placed downstream, as well as coupling means (10A, 10N) between resonators in series, when the filter has more than one resonator.