EP2797161B1 - Filtre hyperfréquence avec élément diélectrique - Google Patents

Filtre hyperfréquence avec élément diélectrique Download PDF

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EP2797161B1
EP2797161B1 EP14164871.7A EP14164871A EP2797161B1 EP 2797161 B1 EP2797161 B1 EP 2797161B1 EP 14164871 A EP14164871 A EP 14164871A EP 2797161 B1 EP2797161 B1 EP 2797161B1
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EP
European Patent Office
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filter according
cavity
filter
vertices
dielectric element
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EP14164871.7A
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German (de)
English (en)
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EP2797161A1 (fr
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Damien Pacaud
Nicolas Jolly
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Thales SA
Original Assignee
Thales SA
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Publication date
Application filed by Thales SA filed Critical Thales SA
Publication of EP2797161A1 publication Critical patent/EP2797161A1/fr
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/20—Frequency-selective devices, e.g. filters
    • H01P1/207—Hollow waveguide filters
    • H01P1/208—Cascaded cavities; Cascaded resonators inside a hollow waveguide structure
    • H01P1/2084—Cascaded cavities; Cascaded resonators inside a hollow waveguide structure with dielectric resonators
    • H01P1/2086—Cascaded cavities; Cascaded resonators inside a hollow waveguide structure with dielectric resonators multimode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/20—Frequency-selective devices, e.g. filters
    • H01P1/219—Evanescent mode filters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P7/00—Resonators of the waveguide type
    • H01P7/10—Dielectric resonators

Definitions

  • the present invention relates to the field of microwave wave filters, typically of frequency between 1 GHZ and a few tens of GHz.
  • a microwave wave for example received by a satellite
  • the processing of a microwave wave requires the development of specific components, allowing the propagation, amplification, and filtering of this wave. Indeed, the microwave received by a satellite must be amplified before being sent back to the ground. This amplification is only possible by separating all the frequencies received into channels, each corresponding to a given frequency band. The amplification is then carried out channel by channel. Then the signal is recombined before being sent to the transmitting antenna.
  • Filters are thus used for producing an input multiplexer (referred to as IMUX) or an output multiplexer (referred to as OMUX).
  • IMUX input multiplexer
  • OMUX output multiplexer
  • a filter can be excited only by a relatively narrow band of frequency around a resonant frequency.
  • the filter according to the invention comprises at least one cavity and a dielectric element disposed inside. More particularly, the filters according to the invention are suitable for producing OMUX-type multiplexers located after a power amplifier. Its role is to eliminate all the parasitic frequencies created by the power amplifier. The specifications of these filters are very strict in terms of quality factor and isolation (no stray modes in the band of interest) because of their situation between the power amplifier and the transmitting antenna.
  • the microwave wave filters comprise, in addition to one or more cavities coupled together in which dielectric resonators are arranged, means for coupling the energy microwave (RF) on the one hand to introduce RF energy to the input of the filter and, on the other hand, to extract RF energy at the output of the filter.
  • RF energy microwave
  • they generally comprise tuning means for adjusting the frequency of the main modes of resonance of the filter.
  • a dielectric element consists of a flat plate having the shape of a parallelogram, and the maximum of the electric field is located in the dielectric element, which thus acts as a resonator.
  • An advantage of the filter described in the patent US5880650 is that the dielectric resonator is in mechanical and electrical contact with the walls of the metal cavity by the four corners of the plate.
  • the vertices are truncated or rounded so as to match the shape of the side walls, flat or slightly curved depending on the shape of the cavity.
  • the mechanical contact allows an exact and reproducible positioning of the resonant element in the cavity and the heat transfer between the resonator element and the walls is significantly improved.
  • a disadvantage of this filter is that due to the location of the electric field in the dielectric element, the dielectric losses are important. Conversely, an empty resonant cavity has significant metal losses. The quality factor Q depending on metal losses and dielectric losses, an empty cavity or a dielectric resonator cavity therefore each have the disadvantage of significant losses that is to say a non-optimal quality factor.
  • the filter described in the patent US5880650 has been optimized for C-band operation (3 to 5 GHz). For it to operate at a higher frequency (for example in the Ku band from 10 to 13 GHZ), it is necessary to divide the dimensions by about three, which leads to a filter of small size, which is an advantage. However, the rise in frequency leads to a deterioration of the quality factor Q.
  • This filter includes a cylindrical metal cavity and inside an element also cylindrical dielectric comprising a collar, fixed to the walls of the cavity over its entire circumference by the collar through for example a ring or springs.
  • this filter the electric field is concentrated in the dielectric resonator with the aforementioned drawbacks.
  • the volume of the resonator cylinder is large, leading to a heavy filter, which is a significant disadvantage for components to be embedded on a satellite.
  • An object of the present invention is to overcome the aforementioned drawbacks.
  • the guide curve is chosen from a square, a rectangle, a hexagon, a circle, an ellipse.
  • the base comprises vertices distributed along a regular polygon.
  • all the vertices of the section are short-circuited by the conductive walls of the cavity via an electrical or microwave contact between the vertices and the walls.
  • the filter according to the invention comprises an upper pyramidal portion and a lower pyramidal portion respectively comprising an upper base coinciding with an upper extremal section and a lower base coinciding with a lower extremal section of the first portion.
  • the upper pyramidal portion and the lower pyramidal portion are identical.
  • the apex is disposed on the longitudinal axis.
  • the barycentre of said polygon is disposed on the longitudinal axis.
  • an angle between the base and a face of the pyramidal portion is less than or equal to 45.
  • the pyramidal portion is truncated along a plane perpendicular to the longitudinal axis.
  • the truncated pyramidal portion has a recess formed on an upper face of the truncated pyramidal portion.
  • at least one recess is made at any point around the circumference of the dielectric element.
  • the filter according to the invention is dimensioned so that a resonance frequency of a resonant mode is between 3 GHz and 30 GHz.
  • an electromagnetic field corresponding to a resonant mode comprises an even number 2n of areas for which the electromagnetic field has a maximum, the zones being arranged in equal number n on either side of the first portion of the dielectric element, n being selected from 1, 2 or 3.
  • each of the zones is distributed partially inside and partially outside the pyramidal portion disposed on the same side as the zone.
  • the filter according to the invention comprises at least one input cavity and one output cavity and comprises input coupling means of a microwave wave coming from an external source with said input cavity, and output coupling means between said output cavity and an external waveguide, and comprises intermediate coupling means of the cavities therebetween.
  • An object of the invention is to provide a microwave filter having very good performance in both quality factor Q and insulation.
  • isolation means the ability of the filter not to transmit unwanted modes other than the selected resonance modes of the filter.
  • the frequency range around the resonant frequency for which no parasitic mode is transmitted is denominated in the English terminology "spurious free range". Of course, we want to obtain the widest possible range.
  • a range of the order of 500 MHz is typically sought on either side of the resonant frequency, an empty quality factor at least equal to 18000 and power handling of at least 300 W per channel.
  • the figure 1a discloses a perspective view of a microwave filter (RF) 10 according to the invention.
  • This filter has at least one resonance mode and comprises a cavity 11 at least partially closed using conductive walls 12, typically metal.
  • the cavity 11 has a cylindrical outer surface defined by a directing curve C described by a straight line called generatrix of the cylinder.
  • the guide curve of the filter cavity according to the invention has a point of symmetry Sy, which facilitates manufacture and simulation.
  • the guide curve C is a square, a rectangle, a hexagon, a circle or an ellipse.
  • the longitudinal axis z of the hollow cylindrical cavity is defined as the axis parallel to a generating line and passing through the points of symmetry.
  • the filter 10 according to the invention also comprises at least one dielectric element 13 disposed in the cavity 11.
  • the dielectric element 13 comprises a first portion 131 having a thickness e along the z axis and a section along a plane perpendicular to z of which the vertices S1, S2,... Sp are distributed according to a polygon P.
  • the polygon represented on the figure 1 is a square, but any polygon P is compatible with the invention.
  • the polygon is regular (triangle, square, pentagon, hexagon %) or rectangular, to allow a low-cost industrial production of the filter and easier optimization due to the presence of axes of symmetry.
  • the polygon is a square so as to limit the contacts between the dielectric element 13 and the cavity 11, which makes it possible to favor certain modes and to guarantee the quality of the contacts.
  • the sides which join the vertices between them are straight segments, but any other form is compatible with the filter 10 according to the invention, variants of which are described below.
  • the contact of the dielectric element 13 with the conducting wall is effected through the first portion 131, according to the same principle as that described in the patent US5880650 , that is to say that at least two vertices of the polygon are short-circuited between them by the walls 12, via an electrical or microwave contact between these vertices and the wall.
  • all the vertices S1 ... Sp of the polygon P are short-circuited by the conductive walls.
  • the dielectric element 13 also comprises at least one pyramidal portion 132, 133 as illustrated in FIGS. figures 1a (perspective view), 1b (side view) and 1c (top view).
  • the pyramidal portion comprises an apex Asup, Ainf, top of the pyramid, and a base Bsup, Binf, which coincides with an extremal section 134, 135 of the first portion 131.
  • extremal section is the upper section 134 and the lower section 135 of the first portion 131 of thickness e.
  • the particular shape of the dielectric element associated with an optimized dimensioning makes it possible to obtain a filter with improved performances compared to those of the filters of the state of the art.
  • the dielectric element 13 comprises a single pyramidal portion, lower 132 or greater 133.
  • the dielectric element 13 comprises two pyramidal portions on either side of the first portion 131, the upper base Bsup coinciding with the upper end section 134 and the lower base Binf coinciding with the lower end section 135 of the first portion 131.
  • the filter according to the invention comprises a plane of symmetry xy.
  • the existence of a symmetry on the shape of the dielectric element makes it possible to obtain better insulation, because of the symmetry of modes that follows. A distortion of the modes makes the behavior of the filter not optimal.
  • the filters according to the invention operate in a TE (transverse electric) mode.
  • the figure 2 schematically illustrates an example of a pyramidal structure whose base consists of vertices arranged on a polygon P of barycentre Ba, and Apex Asup.
  • the centroid Ba and the Asup apex are not arranged on the longitudinal axis z of the cylindrical cavity.
  • centroid B of the polygon P serving as a base for the pyramidal portion is disposed on the longitudinal axis z of the cavity 11, as illustrated.
  • the dielectric element 13 is made of a single block, which has the advantage of facilitating the industrial production of the element 13, obtained by molding, machining or grinding or by additive manufacturing (stereolithography).
  • the figure 3 illustrates a preferred embodiment of pyramidal portion, whose base is a regular polygon (3a: square, 3b: pentagon) whose apex A has an orthogonal projection on the base, defining a height h, which passes through the centroid Ba of the polygon.
  • pyramidal portion examples are the regular tetrahedron, the square pyramid ( figure 3a ), the pentagonal pyramid ( figure 3b ), the hexagonal pyramid ....
  • the angle ⁇ is the angle between the base of the pyramid and one side of the pyramid. According to a preferred embodiment, the angle ⁇ (or all the angles ⁇ when they are not equal) is less than or equal to 45 °.
  • the figure 4 represents an alternative dielectric element 13 inside a cylindrical cavity 11 of generating curve C in a circle (cylinder circular).
  • the figure 4a illustrates a perspective view, the figure 4b a profile view.
  • the pyramidal portion is truncated, for example along a plane T perpendicular to the longitudinal axis z.
  • the apex is then virtual.
  • Truncation is defined by a distance Dtr corresponding to the fraction k of the height for which the material has been deleted.
  • Deuteronomists k ⁇ h
  • Truncation has the advantage of limiting the sensitivity of the performance of the filter to the value of the angle ⁇ .
  • k is between 0.1 and 0.5.
  • the advantage of truncation is not significant.
  • the quality factor Q decreases substantially.
  • the figure 5 represents another variant of dielectric element 13 inside a cylindrical cavity 11 of generating curve C in a circle.
  • the figure 5a illustrates a perspective view, the figure 5b a view from above and the figure 5c a profile view.
  • the polygon is a square: the four vertices S1, S2, S3 and S4 are distributed in a square.
  • the periphery 51 of the dielectric element is rounded (chamfer 55) near the vertices to match the shape of the cylindrical wall.
  • the periphery 51 of the dielectric element 13 does not coincide with the sides of the square in which the vertices are distributed.
  • at least one recess 52 is made at any location around the periphery 51 of the dielectric element 13.
  • all the sides of the polygon have a recess 52 to ensure symmetry of the electromagnetic field.
  • One advantage is to obtain a smaller dielectric volume.
  • Another advantage is to obtain better insulation by controlling the frequency of the other modes (parasites) which depend more heavily on this portion of dielectric.
  • the recess is made so as not to add edges at right angles.
  • the filter of the figure 5 has a dielectric element which reciprocally combines and truncates. These two variants are independent.
  • the filter according to the invention is sized to operate in the C, X and Ku and Ka bands, that is to say comprising a resonance frequency in the range [3 GHz; 30 GHz].
  • a vacuum quality factor between 18000 and 19000 and a total range isolation between 1 GHz and 1.5 GHz around the resonance frequency have been calculated with a temperature compensated dielectric.
  • the dielectric element In a first type the dielectric element is used as a resonator, which means that the electric field is concentrated inside it.
  • the "resonator modes” also called dielectric modes
  • the "resonator modes” are thus modes whose electrical energy is mainly concentrated in the dielectric material (typically 90 to 95%). Their losses are essentially dielectric and depend on the characteristics of the material (loss tangent).
  • the resonant cavity is said to be “charged” by the dielectric element which modifies the dielectric permittivity of the medium.
  • the losses are essentially metallic.
  • An improved mode of operation of the filter according to the invention is called “hybrid”, and consists in charging the cavity with a dielectric to partially concentrate the electrical energy, so as to reduce the metal losses while limiting the dielectric losses.
  • the electromagnetic operation of the filter according to the invention thus combines the two types of conventional operation, which allows, partly thanks to the specific shape of the dielectric element, to minimize losses (high quality factor) while maintaining good insulation.
  • the resonant mode has an even number 2n of zones for which the electric field has a maximum, the zones being arranged in equal numbers on either side of the first portion 131 of the dielectric element 13.
  • a filter When a filter is made per channel, one option is to use for each channel a filter of identical structure and operating in the same mode, but with homothetic dimensions, to obtain proportional and determined resonant frequencies.
  • each of the areas for which the electric field has a maximum is distributed partially inside and partially outside the pyramidal portion disposed on the same side as the area in question.
  • the plates are positioned on the maximum fields to concentrate the electrical energy.
  • the first portion of the dielectric (common base of the pyramids) is positioned on a minimum of field (between the two field maxima). Since the dielectric always has a tendency to concentrate electrical energy, by adjusting the dimensions of the pyramid, this energy is partially concentrated, partly internally, partly outside the dielectric, optimally.
  • An advantage of using a "hybrid" mode where the maximum field is located partially outside the dielectric and partially inside is to obtain dielectric losses lower than those obtained for a conventional resonator and loss mode. lower than those obtained for a conventional cavity-type mode.
  • the figure 6 illustrates a filter 10 according to the invention operating in "hybrid" mode, whose dielectric element comprises two square pyramids, truncated and recessed in a circular cylindrical cavity 11 as illustrated figure 5 , the contact between element 13 and wall 12 is effected by the four corners of the square, as well as the distribution of the field lines of the resonant mode in the cavity. On the figure 6 is also illustrated the distribution of field lines for highlighting the position of field maxima, for example for a polarization.
  • the figure 6a represents a profile view et al figure 6b a perspective view.
  • Zones 61 and 62 correspond to the locations for which the electric field has a maximum.
  • Each zone 61, 62 is partially distributed in the dielectric element and partially outside thereof. Concentrating electrical energy center of the cavity, partially in the dielectric, substantially reduces the metal losses, while limiting the dielectric losses.
  • the figure 6a represents a profile view and the figure 6b a perspective view of the dielectric element 13 and the distribution of the field lines.
  • FIG 8 Another variant of the shape of the dielectric element is illustrated figure 8 .
  • the truncated pyramid has a recess 80 made on an upper face of the truncated pyramidal portion.
  • the realization of this recess in optimal dimensions makes it possible to control the frequencies of the parasitic modes.
  • the recess disturbs little the distribution of the maximum electric field, partially inside and partially outside the pyramidal portion.
  • a first exemplary embodiment of a filter 10 according to the invention is illustrated schematically figure 10 .
  • the filter comprises at least one input cavity 101 and an output cavity 102, input coupling means 103 of a microwave wave from an external source with the input cavity 101 and output coupling means 104 between the output cavity 102 and an external waveguide and comprises intermediate coupling means 105 of the cavities between them.
  • Metal transverse walls 106 and 107 at least partially close the inlet and outlet cavities.
  • the filter may also comprise one or more intermediate cavities coupled together, as described in the figure 1 of the document US5880650 . All these cavities are for example electrically defined inside a cylindrical waveguide section by means of a plurality of walls transverse to the longitudinal axis of the cylinder 106, 105, 107, which close the cavities at least partially to both of them. ends of each cavity.
  • the construction materials of the waveguide and transverse walls are those commonly used by those skilled in the art for such an embodiment.
  • the input and output coupling means are also those commonly used by those skilled in the art.
  • the intermediate coupling means are conventionally different forms of slots or irises, or capacitive probes, inductive iris or a combination of both.
  • the filter according to the invention may also comprise tuning means of the resonant frequency known to those skilled in the art.
  • a dielectric element according to the invention is disposed inside a cavity, but the filter according to the invention may also comprise a plurality of pyramidal dielectric elements per cavity, possibly combined with plate-type dielectric elements as described in FIG. patent US5880650 .
  • the element is preferably positioned in the middle of the cavity.
  • an element is positioned on either side of the middle of the cavity.
  • FIG. 11 Another exemplary embodiment of a filter according to the invention is described figure 11 , for which the input and output coupling means 103, 104 are positioned on the transverse walls 106, 107, in a configuration called "in line”.
  • the figure 12 illustrates a third exemplary embodiment of a filter according to the invention comprising an input cavity and an output cavity.
  • the input and output coupling means are arranged on the cylindrical wall of the corresponding cavity.
  • FIGS 13 and 14 illustrate the frequency response of a filter 10 according to the invention as illustrated figure 10 and sized for a resonance frequency of 12 GHz.
  • Parameter S is a parameter that accounts for filter performance in terms of reflection and transmission.
  • the curve S11 corresponds to the reflection and S12, or S21 to the transmission.
  • the tuning of the filter makes it possible to obtain a transmission maximum (reflection minimum) for a given frequency band.
  • the bandwidth of the filter is determined at S11 (or S22) equi-ripple, for example at 15dB or 20 dB of reflection reduction with respect to its out-of-band level.
  • the figure 13 illustrates the broadband response and shows good isolation from parasitic modes.
  • the figure 14 is a zoom around the resonant frequency and illustrates the response inside the bandwidth.
  • the filter has 4 poles and is centered around 11.950 GHz, and the bandwidth is 40 Mhz.

Description

    DOMAINE DE L'INVENTION
  • La présente invention concerne le domaine des filtres pour onde hyperfréquence, typiquement de fréquence comprise entre 1 GHZ et quelques dizaines de GHz.
  • Le traitement d'une onde hyperfréquence, par exemple reçue par un satellite, nécessite le développement de composants spécifiques, permettant la propagation, l'amplification, et le filtrage de cette onde. En effet, l'onde hyperfréquence reçue par un satellite doit être amplifiée avant d'être renvoyée vers le sol. Cette amplification n'est possible qu'en séparant l'ensemble des fréquences reçues en canaux, correspondant chacun à une bande de fréquence donnée. L'amplification est alors réalisée canal par canal. Puis le signal est recombiné avant d'être envoyé vers l'antenne émettrice.
  • Des filtres sont ainsi utilisés pour la réalisation de multiplexeur d'entrée (dénommé IMUX) ou de sortie (dénommé OMUX). Un filtre ne peut être excité que par une bande relativement étroite de fréquence autour d'une fréquence de résonance.
  • Le filtre selon l'invention comprend au moins une cavité et un élément diélectrique disposé à l'intérieur. Plus particulièrement les filtres selon l'invention sont adaptés pour la réalisation de multiplexeurs de type OMUX, situés après un amplificateur de puissance. Son rôle est d'éliminer toutes les fréquences parasites crées par l'amplificateur de puissance. Les spécifications de ces filtres sont très sévères en termes de facteur de qualité et d'isolation (pas de modes parasites dans la bande d'intérêt) du fait de leur situation entre l'amplificateur de puissance et l'antenne d'émission.
    • ETAT DE LA TECHNIQUE
  • Classiquement les filtres pour onde hyperfréquence comprennent, outre une ou plusieurs cavités couplées entre elles dans lesquelles sont disposés des résonateurs diélectriques, des moyens de couplage de l'énergie hyperfréquence (RF) d'une part pour introduire de l'énergie RF à l'entrée du filtre et, d'autre part, pour extraire de l'énergie RF à la sortie du filtre. De plus ils comprennent généralement des moyens d'accord permettant d'ajuster la fréquence des principaux modes de résonance du filtre.
  • Des filtres connus de l'art antérieur sont décrits par exemple dans le brevet US5880650 . Dans ce filtre, un élément diélectrique est constitué d'une plaque plane ayant la forme d'un parallélogramme, et le maximum du champ électrique est situé dans l'élément diélectrique, qui joue ainsi le rôle de résonateur.
  • Un avantage du filtre décrit dans le brevet US5880650 est que le résonateur diélectrique est en contact mécanique et électrique avec les parois de la cavité métallique par les quatre sommets de la plaque. Les sommets sont tronqués ou arrondis de manière à épouser la forme des parois latérales, planes ou légèrement incurvées en fonction de la forme de la cavité. Le contact mécanique permet un positionnement exact et reproductible de l'élément résonant dans la cavité et le transfert thermique entre l'élément résonateur et les parois est nettement amélioré.
  • Un inconvénient de ce filtre consiste en ce que du fait de la localisation du champ électrique dans l'élément diélectrique, les pertes diélectriques sont importantes. A l'inverse une cavité résonante vide présente d'importantes pertes métalliques. Le facteur de qualité Q dépendant des pertes métalliques et des pertes diélectriques, une cavité vide ou une cavité à résonateur diélectrique présentent donc chacune l'inconvénient de pertes importantes c'est-à-dire un facteur de qualité non optimal.
  • Le document US6433652 décrivant un filtre multimode ayant un résonateur diélectrique est considéré comme étant l'état de la technique le plus proche.
  • De plus le filtre décrit dans le brevet US5880650 été optimisé pour un fonctionnement en bande C (de 3 à 5 GHz). Pour qu'il fonctionne à plus haute fréquence (par exemple en bande Ku de 10 à 13 GHZ), il convient de diviser les dimensions par trois environ, ce qui conduit à un filtre de faible dimension, ce qui est un avantage. Cependant la montée en fréquence conduit à une dégradation du facteur de qualité Q.
  • Un autre type de filtre est décrit dans le brevet US8031036 . Ce filtre comprend une cavité métallique cylindrique et à l'intérieur un élément diélectrique également cylindrique comprenant une collerette, fixé aux parois de la cavité sur l'ensemble de sa circonférence par la collerette au travers par exemple d'une bague ou de ressorts. Dans ce filtre le champ électrique est concentré dans le résonateur diélectrique avec les inconvénients précités. De plus le volume du cylindre résonateur est important, conduisant à un filtre lourd, ce qui constitue un inconvénient notable pour des composants destinés à être embarqués sur un satellite.
  • Un but de la présente invention est de remédier aux inconvénients précités.
    • DESCRIPTION DE L'INVENTION
  • La présente invention a pour objet un filtre hyperfréquence présentant au moins un mode résonnant comprenant au moins une cavité au moins partiellement fermée à l'aide de parois conductrices et présentant une surface extérieure cylindrique définie par une courbe directrice décrite par une génératrice et présentant un point de symétrie, un axe passant par un point de symétrie et parallèle à ladite génératrice étant dénommé axe longitudinal de la cavité et au moins un élément diélectrique disposé dans ladite cavité et comprenant :
    • une première portion présentant une épaisseur selon ledit axe longitudinal et une section selon un plan perpendiculaire audit axe longitudinal dont les sommets sont répartis selon un polygone, et dont au moins deux sommets sont court-circuités entre eux par les parois conductrices de la cavité, via un contact électrique ou hyperfréquence entre les sommets et les parois,
    • au moins une portion pyramidale comprenant un apex et une base coïncidant avec une section extrémale de la première portion.
  • Avantageusement, la courbe directrice est choisie parmi un carré, un rectangle, un hexagone, un cercle, une ellipse.
  • Avantageusement, la base comprend des sommets répartis selon un polygone régulier.
  • Avantageusement tous les sommets de la section sont court-circuités entre eux par les parois conductrices de la cavité, via un contact électrique ou hyperfréquence entre les sommets et les parois.
  • Avantageusement le filtre selon l'invention comprend une portion pyramidale supérieure et une portion pyramidale inférieure comprenant respectivement une base supérieure coïncidant avec une section extrémale supérieure et une base inférieure coïncidant avec une section extrémale inférieure de la première portion.
  • Avantageusement la portion pyramidale supérieure et la portion pyramidale inférieure sont identiques.
  • Avantageusement, l'apex est disposé sur l'axe longitudinal. Avantageusement le barycentre dudit polygone est disposé sur l'axe longitudinal.
  • Avantageusement un angle entre la base et une face de la portion pyramidale est inférieur ou égal à 45.
  • Avantageusement la portion pyramidale est tronquée selon un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal.
  • Avantageusement la portion pyramidale tronquée présente un évidement réalisé sur une face supérieure de la portion pyramidale tronquée. Avantageusement au moins un évidement est réalisé à un endroit quelconque du pourtour de l'élément diélectrique.
  • Avantageusement, le filtre selon l'invention est dimensionné de sorte qu'une fréquence de résonnance d'un mode résonant est comprise entre 3 GHz et 30 GHz.
  • Avantageusement un champ électromagnétique correspondant à un mode résonant comprend un nombre pair 2n de zones pour lesquelles le champ électromagnétique présente un maximum, les zones étant disposées en nombre égal n de part et d'autre de la première portion de l'élément diélectrique, n étant choisi parmi 1, 2 ou 3.
  • Avantageusement, chacune des zones est répartie partiellement à l'intérieur et partiellement à l'extérieur de la portion pyramidale disposée du même côté que la zone.
  • Avantageusement, le filtres selon l'invention comprend au moins une cavité d'entrée et une cavité de sortie et comprend des moyens de couplage d'entrée d'une onde hyperfréquence provenant d'une source externe avec ladite cavité d'entrée, et des moyens de couplage de sortie entre ladite cavité de sortie et un guide d'onde externe, et comprend des moyens de couplage intermédiaires des cavités entre elles.
  • D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels :
    • la figure 1 illustre schématiquement un filtre selon l'invention.
    • la figure 2 décrit un exemple de structure pyramidale de l'élément diélectrique.
    • la figure 3 illustre un mode de réalisation préféré de portion pyramidale.
    • la figure 4 illustre une variante d'élément diélectrique comprenant une portion pyramidale tronquée
    • la figure 5 illustre une variante d'élément diélectrique comprenant des évidements.
    • la figure 6 illustre la distribution des lignes de champ pour un mode de réalisation du filtre selon l'invention.
    • la figure 7 illustre la distribution des lignes de champ pour un autre mode de réalisation du filtre selon l'invention.
    • la figure 8 illustre schématiquement une variante de réalisation de l'élément diélectrique du filtre selon l'invention.
    • la figure 9 illustre la distribution des lignes de champ pour un filtre selon l'invention présentant un élément diélectrique tel que décrit figure 8.
    • la figure 10 illustre un premier exemple de mode de réalisation d'un filtre selon l'invention.
    • la figure 11 illustre un deuxième exemple de mode de réalisation d'un filtre selon l'invention.
    • la figure 12 illustre un troisième exemple de mode de réalisation d'un filtre selon l'invention.
    • la figure 13 illustre un exemple de réponse fréquentielle sur une large bande d'un filtre selon l'invention
    • la figure 14 illustre un exemple de réponse fréquentielle au voisinage de la fréquence de résonance d'un filtre selon l'invention.
    DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
  • Un but de l'invention est de réaliser un filtre pour onde hyperfréquence présentant de très bonnes performances à la fois en facteur de qualité Q et en isolation.
  • Par isolation en entend la capacité du filtre à ne pas transmettre des modes non désirés autres que les modes de résonance sélectionnés du filtre. La plage de fréquence autour de la fréquence de résonance pour laquelle aucun mode parasite n'est transmis se dénomme selon la terminologie anglo-saxonne « spurious free range ». On cherche bien entendu à obtenir une plage la plus large possible.
  • Par exemple pour une application OMUX en bande Ku (10 à 13 GHz), on cherche typiquement une plage de l'ordre de 500 MHz de part et d'autre de la fréquence de résonance, un facteur de qualité à vide au moins égal à 18000 et une tenue en puissance d'au moins 300 W par canal.
  • La figure 1a décrit une vue en perspective d'un filtre hyperfréquence (RF) 10 selon l'invention. Ce filtre présente au moins un mode de résonance et comprend une cavité 11 au moins partiellement fermée à l'aide de parois conductrices 12, typiquement métalliques. La cavité 11 présente une surface extérieure cylindrique définie par une courbe directrice C décrite par une droite dénommée génératrice du cylindre. La courbe directrice de la cavité du filtre selon l'invention présente un point de symétrie Sy, ce qui facilite la fabrication et la simulation.
  • Selon un mode préféré, pour des facilités de fabrication, la courbe directrice C est un carré, un rectangle, un hexagone, un cercle ou une ellipse. L'axe longitudinal z de la cavité cylindrique creuse est défini comme l'axe parallèle à une droite génératrice et passant par les points de symétrie.
  • Le filtre 10 selon l'invention comprend également au moins un élément diélectrique 13 disposé dans la cavité 11. L'élément diélectrique 13 comprend une première portion 131 présentant une épaisseur e selon l'axe z et une section selon un plan perpendiculaire à z dont les p sommets S1, S2, ... Sp sont répartis selon un polygone P. Pour faciliter la compréhension et de manière non limitative, le polygone représenté sur la figure 1 est un carré, mais tout polygone P est compatible avec l'invention.
  • Selon une variante préférée, le polygone est régulier (triangle, carré, pentagone, hexagone...) ou rectangulaire, pour permettre une réalisation industrielle de faible coût du filtre et une optimisation plus aisée du fait de présence d'axes de symétrie.
  • Selon un mode de réalisation préféré, le polygone est un carré de manière à limiter les contacts entre l'élément diélectrique 13 et la cavité 11, ce qui permet de privilégier certains modes et de garantir la qualité des contacts.
  • De même sur la figure 1 et de manière non limitative les côtés qui joignent les sommets entre eux sont des segments de droite, mais toute autre forme est compatible du filtre 10 selon l'invention, dont des variantes sont décrites plus loin. Le contact de l'élément diélectrique 13 avec la paroi conductrice s'effectue au travers de la première portion 131, selon le même principe que celui décrit dans le brevet US5880650 , c'est-à-dire qu'au moins deux sommets du polygone sont court-circuités entre eux par les parois 12, via un contact électrique ou hyperfréquence entre ces sommets et la paroi.
  • Le mode de fixation de l'élément diélectrique 13 aux parois 12 présente ainsi les mêmes avantages que ceux décrits dans le brevet US5880650 , tels que :
    • Assemblage du filtre simplifié par un positionnement exact et absolu de l'élément diélectrique sans recourir à des éléments de maintien.
    • Transfert thermique entre l'élément et les parois nettement amélioré ;
  • Le mode de fixation de l'élément diélectrique aux parois est également compatible des mêmes variantes, par exemple :
    • Troncature ou arrondi des sommets, tel que décrit figure 1, pour épouser la forme des parois latérales, planes ou arrondies en fonction de la forme de la courbe directrice C de la cavité cylindrique,
    • troncature des sommets selon des dimensions légèrement inférieures aux dimensions transversales de la cavité de manière à laisser un petit espace, qui peut être vide ou rempli d'un matériau diélectrique ou conducteur et/ou élastique,
    • utilisation de piliers de maintien,
    • troncature des sommets selon des dimensions légèrement supérieures aux dimensions transversales de la cavité et réalisation d'encoches,
  • etc ....
  • Il n'est pas nécessaire que tous les sommets du polygone P soient court-circuités entre eux, il suffit que les sommets court-circuités par les parois 12 soient en nombre suffisant pour assurer un positionnement correct de l'élément diélectrique dans la cavité.
  • Selon une variante préférée, pour une meilleure précision du positionnement, tous les sommets S1...Sp du polygone P sont court-circuités entre eux par les parois conductrices.
  • L'élément diélectrique 13 comprend également au moins une portion pyramidale 132, 133 tel qu'illustré sur les figures 1a (vue en perspective), 1 b (vue de profil) et 1c (vue de dessus). La portion pyramidale comprend un apex Asup, Ainf, sommet de la pyramide, et une base Bsup,Binf, qui coïncide avec une section extrémale 134, 135 de la première portion 131. On entend par section extrémale la section supérieure 134 et la section inférieure 135 de la première portion 131 d'épaisseur e.
  • La forme particulière de l'élément diélectrique associée à un dimensionnement optimisé (cavité et élément diélectrique) permet d'obtenir un filtre aux performances améliorées par rapport à celles des filtres de l'état de la technique.
  • Selon une variante, l'élément diélectrique 13 comprend une seule portion pyramidale, inférieure 132 ou supérieure 133.
  • Selon une variante préférée, l'élément diélectrique 13 comprend deux portions pyramidales de part et d'autre de la première portion 131, la base supérieure Bsup coïncidant avec la section extrémale supérieure 134 et la base inférieure Binf coïncidant avec la section extrémale inférieure 135 de la première portion 131.
  • Afin de simplifier les calculs d'optimisation de l'élément diélectrique dans la cavité, selon un mode préféré les portions pyramidales supérieure et inférieure sont identiques. Selon un mode préféré le filtre selon l'invention comprend un plan de symétrie xy. L'existence d'une symétrie sur la forme de l'élément diélectrique permet d'obtenir une meilleure isolation, du fait de la symétrie des modes qui en découle. Une distorsion des modes rend le comportement du filtre non optimal.
  • Préférentiellement le filtres elon l'invention fonctionne selon un mode TE (transverse électrique).
  • La figure 2 illustre schématiquement un exemple de structure pyramidale dont la base est constituée de sommets disposés sur un polygone P de barycentre Ba, et d'apex Asup. Sur cet exemple le barycentre Ba et l'apex Asup ne sont pas disposés sur l'axe longitudinal z de la cavité cylindrique.
  • Afin de simplifier les calculs d'optimisation, selon une variante préférée illustrée figures 1a,1b et 1c les apex Asup et Ainf des portions pyramidales sont disposés sur l'axe longitudinal z de la cavité 11.
  • Afin de positionner et fixer plus facilement l'élément diélectrique 13 dans la cavité 11, selon une variante préférée le barycentre Ba du polygone P servant de base à la portion pyramidale est disposé sur l'axe longitudinal z de la cavité 11, comme illustré figures 1 a,1 b, 1 c.
  • Préférentiellement l'élément diélectrique 13 est réalisé d'un seul bloc, ce qui présente l'avantage de faciliter la réalisation industrielle de l'élément 13, obtenu par moulage, usinage ou meulage ou par fabrication additive (stéréolithographie).
  • La figure 3 illustre un mode de réalisation préféré de portion pyramidale, dont la base est un polygone régulier (3a : carré, 3b: pentagone) dont l'apex A présente une projection orthogonale sur la base, définissant une hauteur h, qui passe par le barycentre Ba du polygone.
  • Des exemples de ce cas particulier de portion pyramidale sont le tétraèdre régulier, la pyramide carrée (figure 3a), la pyramide pentagonale (figure 3b), la pyramide hexagonale ....
  • On dénomme angle α l'angle entre la base de la pyramide et une face de la pyramide. Selon un mode de réalisation préféré l'angle α (ou tous les angles α lorsqu'ils ne sont pas égaux) est inférieur ou égal à 45°.
  • La figure 4 représente une variante d'élément diélectrique 13 à l'intérieur d'une cavité cylindrique 11 de courbe génératrice C selon un cercle (cylindre circulaire). La figure 4a illustre une vue en perspective, la figure 4b une vue de profil.
  • Selon cette variante, la portion pyramidale est tronquée, par exemple selon un plan T perpendiculaire à l'axe longitudinal z. L'apex est alors virtuel.
  • La troncature est définie par une distance Dtr correspondant à la fraction k de la hauteur pour laquelle la matière a été supprimée. Dtr = k × h
    Figure imgb0001
  • La troncature présente l'avantage de limiter la sensibilité des performances du filtre à la valeur de l'angle α.
  • Préférentiellement k est compris entre 0.1 et 0.5. Pour les valeurs de k plus faibles, l'avantage de la troncature n'est pas significatif. Pour des valeurs de k plus élevées, le facteur de qualité Q diminue sensiblement.
  • La figure 5 représente une autre variante d'élément diélectrique 13 à l'intérieur d'une cavité cylindrique 11 de courbe génératrice C selon un cercle. La figure 5a illustre une vue en perspective, la figure 5b une vue de dessus et la figure 5c une vue de profil. Dans l'exemple de la figure 5 le polygone est un carré : les 4 sommets S1, S2, S3 et S4 sont répartis selon un carré.
  • Sur l'exemple illustré sur la figure 5 le pourtour 51 de l'élément diélectrique est arrondi (chanfrein 55) au voisinage des sommets pour épouser la forme de la paroi cylindrique.
  • Selon cette variante illustrée figure 5 le pourtour 51 de l'élément diélectrique 13 ne coïncide pas avec les côtés du carré selon lequel sont répartis les sommets. Ainsi, au moins un évidement 52 est réalisé à un endroit quelconque du pourtour 51 de l'élément diélectrique 13. Préférentiellement tous les côtés du polygone présentent un évidement 52 pour assurer une symétrie du champ électromagnétique.
  • Il s'agit d'enlever du matériau diélectrique dans des zones où le champ électrique est de faible intensité. Un avantage consiste à obtenir un volume de diélectrique plus faible. Un autre avantage consiste en l'obtention d'une meilleure isolation en contrôlant la fréquence des autres modes (parasites) qui dépendent plus fortement de cette partie de diélectrique. Préférentiellement l'évidement est réalisé de manière à ne pas ajouter d'arrêtes à angle droit.
  • Le filtre de la figure 5 présente un élément diélectrique qui combine évidement et troncature. Ces deux variantes sont indépendantes.
  • Dans la conception d'un filtre hyperfréquence selon l'invention, les fréquences de résonance dépendant principalement :
    • des dimensions (épaisseur, et dimensions transversales de la première portion, hauteur de portion pyramidale) et de la forme (base carrée, pentagonale, hexagonale) de l'élément diélectrique,
    • des dimensions et de la forme de la cavité résonante dans laquelle l'élément diélectrique est disposé,
    • du matériau diélectrique utilisé pour la réalisation de ce dernier.
  • Les valeurs de ces variables dépendent donc de la bande hyperfréquence dans laquelle opère le filtre. Selon une variante préférée, le filtre selon l'invention est dimensionné pour fonctionner dans les bandes C, X et Ku et Ka, c'est-à-dire comprenant une fréquence de résonance comprise dans l'intervalle [3 GHz; 30 GHz].
  • Un exemple de dimensionnement pour une fréquence de résonance de 12 GHz est :
    • Cavité métallique :
      • cylindrique circulaire de diamètre compris entre 20 et 25 mm et de longueur comprise entre 20 et 25 mm.
    • Elément diélectrique :
      • base carrée épousant la forme de la cavité pour les 4 sommets,
      • épaisseur e de la première portion comprise entre 2 et 4 mm
      • angle α de la pyramide : entre 8° et 11 °
      • permittivité diélectrique : 9.5 et 10.
  • Pour ces dimensions, un facteur de qualité à vide compris entre 18000 et 19000 et une isolation totale de plage comprise entre 1 GHz et 1.5 GHz autour de la fréquence de résonance ont été calculés avec un diélectrique compensé en température.
  • La présence d'un évidement améliore la plage d'isolation, la présence d'une troncature diminue la sensibilité de la fréquence de résonance à la valeur de l'angle de la pyramide, relâchant ainsi les contraintes de fabrication de l'élément diélectrique.
  • D'un point de vue électromagnétique, on distingue classiquement deux types de filtres selon la manière dont l'élément diélectrique est utilisé.
  • Dans un premier type l'élément diélectrique est utilisé comme résonateur, ce qui signifie que le champ électrique est concentré à l'intérieur de celui-ci. Les "modes de résonateur" (encore appelés modes diélectriques) sont ainsi des modes dont l'énergie électrique se concentre principalement dans le matériau diélectrique (typiquement 90 à 95 %). Leurs pertes sont essentiellement diélectriques et dépendent des caractéristiques du matériau (tangente de pertes).
  • A l'opposé, dans un second type dit « modes de cavité », la cavité résonante est dite « chargée » par l'élément diélectrique qui modifie la permittivité diélectrique du milieu. Les pertes sont essentiellement métalliques.
  • Un mode de fonctionnement amélioré du filtre selon l'invention est dit « hybride », et consiste à charger la cavité avec un diélectrique pour y concentrer partiellement l'énergie électrique, de manière à réduire les pertes métalliques tout en limitant les pertes diélectriques. Le fonctionnement électromagnétique du filtre selon l'invention combine ainsi les deux types de fonctionnement classique, ce qui permet, en partie grâce à la forme spécifique de l'élément diélectrique, de minimiser les pertes (facteur de qualité élevé) tout en maintenant une bonne isolation.
  • En fonctionnement « hybride » le mode résonant présente un nombre pair 2n de zones pour lesquelles le champ électrique présente un maximum, les zones étant disposées en nombre égal de part et d'autre de la première portion 131 de l'élément diélectrique 13.
  • En pratique, seules les valeurs n=1, n=2, n=3 et n=4 présentent un intérêt pratique. En effet, plus on monte en ordre, plus il y a de maximas, et au delà de 4 maximas de chaque côté, l'isolation devient insuffisante.
  • A dimensions constantes, plus n est grand, plus la fréquence de résonance du mode correspondant est grande. Il faut donc augmenter les dimensions pour ramener cette fréquence de résonance à la fréquence du filtre.
  • Lorsque l'on réalise un filtre par canal, une option est d'utiliser pour chaque canal un filtre de structure identique et fonctionnant sur le même mode, mais de dimensions homothétiques, pour obtenir des fréquences de résonnances proportionnelles et déterminées.
  • Dans un mode amélioré du filtre selon l'invention illustré figures 6 et 7, chacune des zones pour lesquelles le champ électrique présente un maximum est répartie partiellement à l'intérieur et partiellement à l'extérieur de la portion pyramidale disposée du même côté que la zone en question. Selon l'état de la technique « plaque », les plaques sont positionnées sur les maximas de champs pour y concentrer l'énergie électrique.
  • Pour un filtre selon l'invention, de nature hybride, on positionne la première portion du diélectrique (base commune des pyramides) sur un minimum de champ (entre les 2 maximas de champ). Le diélectrique ayant toujours tendance à concentrer l'énergie électrique, en ajustant les dimensions de la pyramide on concentre partiellement cette énergie, en partie à l'intérieur, en partie à l'extérieur du diélectrique, de façon optimale.
  • Un avantage d'utiliser un mode « hybride » où le maximum de champ est localisé partiellement en dehors du diélectrique et partiellement à l'intérieur consiste en l'obtention de pertes diélectriques inférieures à celles obtenues pour un mode classique de type résonateur et de pertes métalliques inférieures à celles obtenues pour un mode classique de type cavité chargée.
  • La figure 6 illustre un filtre 10 selon l'invention fonctionnant en mode « hybride », dont l'élément diélectrique comprend deux pyramides carrées, tronquées et évidées dans une cavité cylindrique circulaire 11 tel qu'illustré figure 5, le contact entre élément 13 et paroi 12 s'effectuant par les quatre sommets du carré, ainsi que la répartition des lignes de champ du mode résonant dans la cavité. Sur la figure 6 est également illustré la répartition des lignes de champ permettant de mettre en évidence la position des maximas de champ, par exemple pour une polarisation. La figure 6a représente une vue de profil et al figure 6b une vue en perspective.
  • On constate sur la figure 6a qu'il y a deux zones qui concentrent le champ électrique, chacune disposée de part et d'autre de la première portion de l'élément diélectrique (cas n=1). Les zones 61 et 62 correspondent aux endroits pour lesquelles le champ électrique présente un maximum. Chaque zone 61, 62 est répartie partiellement dans l'élément diélectrique et partiellement à l'extérieur de celui-ci. En concentrant l'énergie électrique au centre de la cavité, partiellement dans le diélectrique, on réduit sensiblement les pertes métalliques, tout en limitant les pertes diélectriques.
  • La figure 7 illustre le même filtre que celui de la figures 6 lequel on a favorisé un mode résonant présentant huit zones, quatre en coupe (71 et 72 ; 73 et 74) qui concentrent le champ électrique de part et d'autre de la première portion de l'élément diélectrique (cas n=4). La figure 6a représente une vue de profil et la figure 6b une vue en perspective de l'élément diélectrique 13 et de la répartition des lignes de champ.
  • Pour obtenir un mode résonant à huit maximas, il convient par exemple de rechercher une fréquence de résonnance sur ce mode, sans modifier les dimensions de la cavité et du diélectrique 13.
  • Par exemple la fréquence de résonnance du mode n=4 est de 14.5 GHz lorsque la fréquence de résonnance du mode n=1 est de 12 GHz, toutes choses restant égales par ailleurs.
  • Une autre variante de la forme de l'élément diélectrique est illustrée figure 8. La pyramide tronquée présente un évidement 80 réalisé sur une face supérieure de la portion pyramidale tronquée.
  • L'évidement est de forme quelconque, par exemple un trou débouchant, ou une pyramide inversée et est positionné dans une zone présentant un faible champ électrique. Cette variante est intéressante pour le cas n=4 (voir figure 7) dans lequel le champ électrique au centre de la partie tronquée est faible. La réalisation de cet évidement selon des dimensions optimales permet de contrôler les fréquences des modes parasites.
  • La figure 9 illustre la répartition des lignes de champ du mode résonant dans la cavité, avec une pyramide tronquée, dont la partie plane tronquée est évidée, pour un mode n=4. L'évidement perturbe peu la répartition des maximas du champ électrique, partiellement à l'intérieur et partiellement à l'extérieur de la portion pyramidale.
  • Un premier exemple de mode de réalisation d'un filtre 10 selon l'invention est illustré schématiquement figure 10. Le filtre comprend au moins une cavité d'entrée 101 et une cavité de sortie 102, des moyens de couplage d'entrée 103 d'une onde hyperfréquence provenant d'une source externe avec la cavité d'entrée 101 et des moyens de couplage de sortie 104 entre la cavité de sortie 102 et un guide d'onde externe et comprend des moyens de couplage intermédiaires 105 des cavités entre elles. Des parois transversales métalliques 106 et 107 ferment au moins partiellement les cavités d'entrée et de sortie.
  • Le filtre peut également comprendre une ou plusieurs cavités intermédiaires couplées entre elles, telles que décrit sur la figure 1 du document US5880650 . Toutes ces cavités sont par exemple définies électriquement à l'intérieur d'un tronçon de guide d'onde cylindrique moyennant une pluralité de parois transversales à l'axe longitudinal du cylindre 106, 105, 107, qui ferment les cavités au moins partiellement aux deux extrémités de chaque cavité. Les matériaux de construction du guide d'onde et des parois transversales sont ceux utilisés couramment par l'homme de l'art pour une telle réalisation. Les moyens de couplage d'entrée et de sortie sont également ceux utilisés couramment par l'homme de l'art.
  • Les moyens de couplage intermédiaires sont classiquement différentes formes de fentes ou d'iris, ou des sondes capacitives, des iris inductifs ou une combinaison des deux.
  • Le filtre selon l'invention peut également comprendre des moyens d'accord de la fréquence de résonance connus de l'homme de l'art.
  • Sur la figure 10, un élément diélectrique selon l'invention est disposé à l'intérieur d'une cavité, mais le filtre selon l'invention peut également comprendre plusieurs éléments diélectriques pyramidaux par cavité, éventuellement combinés à des éléments diélectriques de type plaque tels que décrits dans le brevet US5880650 .
  • Par exemple avec un seul élément diélectrique par cavité, l'élément est positionné préférentiellement au milieu de la cavité. Avec deux éléments diélectriques par cavité, on positionne un élément de part et d'autre du milieu de la cavité.
  • Un autre exemple de mode de réalisation d'un filtre selon l'invention est décrit figure 11, pour lequel les moyens de couplage d'entrée et de sortie 103, 104 sont positionné sur les parois transversales 106, 107, selon une configuration dite « en ligne ».
  • La figure 12 illustre un troisième exemple de mode de réalisation d'un filtre selon l'invention comprenant une cavité d'entrée et une cavité de sortie. Selon cet exemple il n'y a pas de tronçon unique de guide d'onde, mais deux parties cylindriques d'axes longitudinaux parallèles, chaque cavité étant au moins partiellement fermée par des parois transversales 106, 107 pour la cavité d'entrée et 108, 109 pour la cavité de sortie. Les moyens de couplage d'entrée et de sortie sont disposés sur la paroi cylindrique de la cavité correspondante.
  • Avec un filtre selon les configurations illustrées figures 10 ou 12, il est possible d'implanter un système de compensation en température externe, tel que décrit dans le brevet US2006097827 , sur les capots 106, 107, 108 et 109. On peut ainsi utiliser des diélectriques non compensés en température, ce qui permet d'augmenter sensiblement le facteur de qualité à vide (typiquement 25000).
  • Les figures 13 et 14 illustrent la réponse fréquentielle d'un filtre 10 selon l'invention tel qu'illustré figure 10 et dimensionné pour une fréquence de résonance de 12 GHz. Le paramètre S est un paramètre qui rend compte des performances du filtre en termes de réflexion et de transmission. La courbe S11 correspond à la réflexion et S12, ou S21 à la transmission.
  • L'accord du filtre permet d'obtenir un maxima de transmission (minima de réflexion) pour une bande de fréquence donnée. La bande passante du filtre est déterminée à équi-ondulation du S11 (ou S22), par exemple à 15dB ou 20 dB de réduction de la réflexion par rapport à son niveau hors bande.
  • La figure 13 illustre la réponse large bande et on constate une bonne isolation par rapport aux modes parasites. La figure 14 correspond à un zoom autour de la fréquence de résonance et illustre la réponse à l'intérieur de la bande passante. Le filtre comprend 4 pôles et est centré autour de 11.950 GHz, et la bande passante est de 40 Mhz.

Claims (16)

  1. Filtre hyperfréquence (10) présentant au moins un mode résonnant et comprenant :
    - au moins une cavité (11) au moins partiellement fermée à l'aide de parois conductrices (12), le filtre étant caractérisé en ce qu'il présente: une surface extérieure cylindrique définie par une courbe directrice (C) décrite par une génératrice et présentant un point de symétrie (Sy), un axe passant par un point de symétrie et parallèle à ladite génératrice étant dénommé axe longitudinal (z) de ladite cavité (11) et,
    - au moins un élément diélectrique (13) disposé dans ladite cavité et comprenant :
    - une première portion (131) présentant une épaisseur (e) selon ledit axe longitudinal (z) et une section selon un plan perpendiculaire audit axe longitudinal (z) dont les sommets (s1, s2, s3, s4) sont répartis selon un polygone (P), et dont au moins deux sommets sont court-circuités entre eux par lesdites parois conductrices (12) de ladite cavité, via un contact électrique ou hyperfréquence entre lesdits sommets et lesdites parois,
    - au moins une portion pyramidale (132,133) comprenant un apex (Asup, Ainf) et une base (Bsup, Binf) coïncidant avec une section extrémale (134,135) de ladite première portion (131).
  2. Filtre selon la revendication 1 dans lequel ladite courbe directrice (C) est choisie parmi un carré, un rectangle, un hexagone, un cercle, une ellipse.
  3. Filtre selon l'une des revendications précédentes dans lequel ladite base comprend des sommets (s) répartis selon un polygone (P) régulier.
  4. Filtre selon l'une des revendications précédentes dans lequel tous lesdits sommets de ladite section sont court-circuités entre eux par lesdites parois conductrices (12) de ladite cavité, via un contact électrique ou hyperfréquence entre lesdits sommets et lesdites parois.
  5. Filtre selon l'une des revendications précédente comprenant une portion pyramidale supérieure (132) et une portion pyramidale inférieure (133) comprenant respectivement une base supérieure (Bsup) coïncidant avec une section extrémale supérieure (134) et une base inférieure (Binf) coïncidant avec une section extrémale inférieure (135) de ladite première portion (131).
  6. Filtre selon la revendication 5 dans lequel ladite portion pyramidale supérieure (134) et ladite portion pyramidale inférieure (135) sont identiques.
  7. Filtre selon l'une des revendications précédentes dans lequel ledit apex (Ainf, Asup) est disposé sur ledit axe longitudinal (z).
  8. Filtre selon l'une des revendications précédentes dans lequel le barycentre (O) dudit polygone (P) est disposé sur ledit axe longitudinal (z).
  9. Filtre selon l'une des revendications précédentes dans lequel un angle (α) entre ladite base et une face de ladite portion pyramidale est inférieur ou égal à 45 °.
  10. Filtre selon l'une des revendications précédentes dans lequel ladite portion pyramidale est tronquée selon un plan perpendiculaire (T) audit axe longitudinal (z).
  11. Filtre selon l'une des revendications précédentes dans lequel ladite portion pyramidale tronquée présente un évidement réalisé sur une face supérieure de ladite portion pyramidale tronquée.
  12. Filtre selon l'une des revendications précédentes dans lequel au moins un évidement (52) est réalisé à un endroit quelconque du pourtour (51) de l'élément diélectrique 13.
  13. Filtre selon l'une des revendications précédentes dimensionné de sorte qu'une fréquence de résonnance d'un mode résonant est comprise entre 3 GHz et 30 GHz.
  14. Filtre selon l'une des revendications précédentes dans lequel un champ électromagnétique correspondant à un mode résonant comprend un nombre pair 2n de zones (61, 62, 71, 72, 73, 74) pour lesquelles ledit champ électromagnétique présente un maximum, lesdites zones étant disposées en nombre égal n de part et d'autre de ladite première portion (131) dudit élément diélectrique (13), n étant choisi parmi 1, 2, 3 ou 4.
  15. Filtre selon la revendication 14 dans lequel chacune desdites zones est répartie partiellement à l'intérieur et partiellement à l'extérieur de ladite portion pyramidale disposée du même côté que ladite zone.
  16. Filtre selon l'une des revendications précédentes comprenant au moins une cavité d'entrée (101) et une cavité de sortie (102), et comprenant des moyens de couplage d'entrée (103) d'une onde hyperfréquence provenant d'une source externe avec ladite cavité d'entrée (101) et des moyens de couplage de sortie (104) entre ladite cavité de sortie (102) et un guide d'onde externe, et comprenant des moyens de couplage intermédiaires (105) desdites cavités entre elles.
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