FR2628571A1 - MICRO-BAND TECHNOLOGY HYPERFREQUENCY CUTTER FILTER - Google Patents
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Abstract
Ce filtre coupe-bande hyperfréquence en technologie microbande est du type à lignes couplées, c'est-à-dire comportant une ligne de transmission sous forme de microruban 1 associée à au moins une cellule de filtrage comprenant un segment de microruban 4 disposé parallèlement à la ligne de transmission et à distance de celle-ci, ce segment de microruban ayant l'une de ses extrémités en circuit ouvert et l'autre reliée au potentiel de la masse. Selon l'invention, la liaison au potentiel de la masse est réalisée pour chaque cellule avec interposition d'un circuit résonnant LC 5, 6 accordable. Très avantageusement, l'élément capacitif du circuit résonnant LC accordable comprend un varactor 6 dont l'anode est portée à un potentiel continu -V ajustable, de sorte que la commande de ce potentiel continu permette la variation de la fréquence centrale de réjection du filtre coupe-bande, et l'élément inductif du circuit résonnant LC accordable est réalisé sous forme d'un fil de liaison 5 du segment de microruban 4 au varactor 6, celui étant disposé sur le même substrat diélectrique 7 que ce segment de microruban.This microwave band-stop filter in microstrip technology is of the coupled line type, that is to say comprising a transmission line in the form of a microstrip 1 associated with at least one filtering cell comprising a segment of microstrip 4 arranged parallel to the transmission line and at a distance from it, this microstrip segment having one of its ends in open circuit and the other connected to ground potential. According to the invention, the connection to the ground potential is made for each cell with the interposition of a tunable LC resonant circuit 5, 6. Very advantageously, the capacitive element of the tunable LC resonant circuit comprises a varactor 6, the anode of which is brought to an adjustable DC potential -V, so that the control of this DC potential allows the variation of the central filter rejection frequency. band cutter, and the inductive element of the tunable LC resonant circuit is produced in the form of a connecting wire 5 from the microstrip segment 4 to the varactor 6, the one being arranged on the same dielectric substrate 7 as this microstrip segment.
Description
Filtre coupe-bande byperféquenoe en technologie micro-bande La présenteByperféquenoe band-stop filter in micro-band technology This
invention concerne un filtre coupe-bande hyperfréquence en The invention relates to a microwave band-stop filter in
technologie micro-bande.micro-band technology.
Les filtres coupe-bande hyperfréquences accordables sont én particulier utilisés dans les récepteurs hyperfréquences à très large. bande instantanée ayant généralement de nombreux signaux à traiter Tunable microwave bandpass filters are particularly used in very wide microwave receivers. instant band usually having many signals to process
simultanément, typiquement les récepteurs de signaux radar. simultaneously, typically the radar signal receivers.
Du fait de la très large bande instantanée, les signaux sont très souvent perturbés par la présence de signaux forts parasites qui saturent les chaînes de réception. La fonction d'un filtre coupe-bande est ainsi d'atténuer les signaux perturbants pour pouvoir analyser et identifier les Due to the very wide instantaneous band, the signals are very often disturbed by the presence of strong parasitic signals which saturate the reception channels. The function of a notch filter is thus to attenuate the disturbing signals in order to analyze and identify the
signaux de plus faibles amplitudes.signals of smaller amplitudes.
Ces signaux perturbants n'ayant généralement ni une fréquence connue à l'avance ni une fréquence stable, il est nécessaire de prévoir un Since these disturbing signals generally have neither a known frequency nor a stable frequency, it is necessary to provide a
filtre coupe-bande qui soit accordable. notch filter that is tunable.
Jusqu'à présent, on utilisait à cet effêt un filtre à YIG (Yttrium-Iron 2) Garnet: grenat d'yttrium-fer) polarisé de manière appropriée pour Until now, a YIG (Yttrium-Iron 2) Garnet: yttrium-iron garnet filter, appropriately polarized for
l'accorder sur la fréquence à éliminer. tune it to the frequency to be eliminated.
Cette technique, malgré ses performances intéressantes (taux de réjection élevé, faible largeur de bande atténuée), a l'inconvénient d'accroître les dimensions et la masse du circuit de façon importante, de présenter un temps de transition (" temps de ralliement ") relativement long, de l'ordre de 10 à 20 ms, et de nécessiter un circuit de commande complexe. This technique, despite its interesting performance (high rejection rate, low attenuated bandwidth), has the disadvantage of increasing the size and mass of the circuit significantly, to present a transition time ("rally time" ) relatively long, of the order of 10 to 20 ms, and require a complex control circuit.
L'un des buts de la présente invention est de proposer un filtre coupe- One of the aims of the present invention is to propose a cut-off filter.
bande hyperfréquence accordable qui présente des propriétés électriques comparables aux filtres à YIG, mais qui élimine les inconvénients précités. Plus précisément, comme on le verra par la suite, l'invention permet de cumuler les avantages suivants: - faibles pertes d'insertion hors bande réjectée, - fonctionnement en large bande, compatible avec les performances des chaînes de réception actuelles (typiquement, largeur de bande de 2àl8GHz), - plage d'accord en fréquence importante, -réjection élevée à la fréquence d'accord, - système d'accord sans consommation électrique, - temps de ralliement très faible, - dimensions très réduites, permettant une intégration aisée en tunable microwave band which has electrical properties comparable to YIG filters, but which eliminates the aforementioned drawbacks. More precisely, as will be seen later on, the invention makes it possible to combine the following advantages: - low insertion loss out of band rejection, - operation in broadband, compatible with the performance of current reception channels (typically, width 2 to 18 GHz band), - high frequency tuning range, - high tuning frequency rejection, - tuning system without power consumption, - very low tuning time, - very small size, allowing easy integration in
micro-électronique.microelectronics.
A cet effet, la présente invention utilise la structure de base dite à lignes couplées, c'est à dire comportant une ligne de transmission sous forme de microruban associée à au moins une cellule de filtrage comprenant un segment de microruban disposé parallèlement à la ligne de transmission et à distance de celle-ci, ce segment de microruban ayant l'une de ses For this purpose, the present invention uses the basic structure called coupled lines, ie having a microstrip transmission line associated with at least one filter cell comprising a microstrip segment disposed parallel to the line of microstrip transmission and at a distance from it, this microstrip segment having one of its
extrémités en circuit ouvert et l'autre reliée au potentiel de la masse. ends in open circuit and the other connected to the potential of the mass.
De façon caractéristique de la présente invention, la liaison au potentiel de la masse est réalisée pour chaque cellule avec interposition d'un circuit In a characteristic manner of the present invention, the connection to the potential of the mass is carried out for each cell with the interposition of a circuit
résonnant LC accordable.resonant LC tunable.
Très avantageusement, l'élément capacitif du circuit résonnant LC accordable comprend un varactor dont l'anode est portée à un potentiel continu ajustable, de sorte que la commande de ce potentiel continu Very advantageously, the capacitive element of the tunable LC resonant circuit comprises a varactor whose anode is brought to an adjustable continuous potential, so that the control of this continuous potential
permette la variation de la fréquence centrale de réjection du filtre coupe- allows the variation of the center frequency of rejection of the filter cutter
bande. Selon d'autres caractéristiques préférentielles de la présente invention -l'élément inductif du circuit résonnant LC accordable est réalisé sous forme d'un fil de liaison du segment de microruban au varactor, celui étant disposé sur le même substrat diélectrique que ce segment de microruban; le potentiel continu est appliqué à l'anode du varactor avec interposition d'un filtre passe-bas; - le rapport des fréquences de réjection extrêmes possibles est au moins égal à 1,5; -le filtre comprend en outre des moyens de commutation pour mettre sélectivement en circuit ouvert ladite autre extrémité de chaque segment de microruban au lieu de la relier au potentiel de la masse; Dans le dernier cas indiqué, on peut très avantageusement réaliser un filtre complexe comprenant une pluralité de tels filtres montés en cascade, les moyens de commutation de chaque filtre étant commandés sélectivement de manière à ne commuter que le(s) filtre(s) élémentaire(s) dont la plage de variation de la fréquence de réjection contient la (les) gang. According to other preferred features of the present invention, the inductive element of the tunable LC resonant circuit is formed as a connecting wire of the microraban segment to the varactor, that being arranged on the same dielectric substrate as this microstrip segment. ; the continuous potential is applied to the anode of the varactor with the interposition of a low-pass filter; the ratio of possible extreme rejection frequencies is at least 1.5; the filter further comprises switching means for selectively open-circuiting said other end of each microstrip segment instead of connecting it to the potential of the mass; In the last case indicated, it is very advantageous to produce a complex filter comprising a plurality of such cascaded filters, the switching means of each filter being selectively controlled so as to switch only the elementary filter (s). s) whose range of variation of the rejection frequency contains the
fréquence(s) à éliminer.frequency (s) to be eliminated.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention Other features and advantages of the present invention
apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-dessous, faite en will appear on reading the detailed description below, made in
référence aux figures annexées sur lesquelles -la figure 1 montre la structure de base d'un filtre coupe-bande à lignes couplées de l'art antérieur, dont la fréquence d'accord, fixée par construction, n'est pas ajustable, -la figure 2 est un diagramme atténuation/fréquence correspondant au filtre de la figure 1, -la figure 3 est homologue de la figure 1, pour le filtre accordable selon la présente invention, - la figure 4 est homologue de la figure 2, pour le filtre accordable selon la présente invention, les courbes d'atténuation ayant été représentées pour les deux fréquences extrêmes d'accord de ce filtre, -la figure 5 représente, en perspective, une réalisation du filtre de la présente invention montrant la manière dont on peut l'intégrer avec les techniques de la micro-électronique, -la figure 6 est la courbe de réponse en fonction de la fréquence, mesurée pour un exemple pratique de filtre réalisé selon les enseignements de la présente invention, - la figure 7 est une vue agrandie de la bande de fréquences centrale de la figure 6, montrant les courbes de réponse obtenues pour diverses valeurs d'accord s'étendant à l'intérieur de la plage de reference to the appended figures in which FIG. 1 shows the basic structure of a prior art coupled-line band-stop filter whose tuning frequency, fixed by construction, is not adjustable; FIG. 2 is an attenuation / frequency diagram corresponding to the filter of FIG. 1, FIG. 3 is homologous to FIG. 1, for the tunable filter according to the present invention, FIG. 4 is homologous to FIG. According to the present invention, the attenuation curves having been represented for the two tuning extreme frequencies of this filter, FIG. 5 represents, in perspective, an embodiment of the filter of the present invention showing the manner in which the FIG. 6 is the response curve as a function of frequency, measured for a practical example of a filter made according to the teachings of the present invention; Fig. 7 is an enlarged view of the central frequency band of Fig. 6, showing the response curves obtained for various tuning values extending within the range of
réglage du filtre.filter adjustment.
2D Sur la figure 1, on a représenté la structure, en elle-même connue, d'un filtre coupe-bande du type dit" à lignes couplées" réalisé en technologie microbande: un tel filtre comprend une ligne de transmission 1 sous forme d'un microruban reliant un générateur 2 de signaux hyperfréquences à une impédance de charge 3, et il est prévu au moins une cellule de filtrage (cinq, dans l'exemple illustré) formée d'un segment de microruban 4 disposé parallèlement à la ligne de transmission, et ayant une longueur électrique correspondant sensiblement à un quart de la longueur d'onde à la fréquence centrale de réjection que l'on veut donner au filtre. Chacun des segments 4 a l'une de ses extrémités en 2D In FIG. 1, there is shown the structure, itself known, of a band-stop filter of the "coupled-line" type produced in microstrip technology: such a filter comprises a transmission line 1 in the form of a a microstrip connecting a generator 2 of microwave signals to a load impedance 3, and there is provided at least one filter cell (five, in the illustrated example) formed of a microstrip segment 4 arranged parallel to the line of transmission, and having an electrical length substantially corresponding to a quarter of the wavelength at the central rejection frequency that is to be given to the filter. Each of the segments 4 has one of its ends in
circuit ouvert et l'autre reliée directement au potentiel de la masse. open circuit and the other connected directly to the potential of the mass.
L'atténuation procurée par un tel filtre est illustrée sur la figure 2, la fréquence centrale Fo étant déterminée par la longueur de chaque segment 4 et la largeur de bande réjectée dépendant du nombre de cellules The attenuation provided by such a filter is illustrated in FIG. 2, the central frequency Fo being determined by the length of each segment 4 and the rejection bandwidth depending on the number of cells.
et de l'impédance de ligne couplée de chacune d'entre elles. and the coupled line impedance of each of them.
Selon l'invention, on remplace, comme illustré figure 3, la liaison directe à la masse de l'une des extrémités de chaque segment par un circuit LC résonnant formé d'une inductance 5 en série avec une capacité According to the invention, as shown in FIG. 3, the direct earth connection of one of the ends of each segment is replaced by a resonant LC circuit formed of an inductance 5 in series with a capacitance
ajustable 6, ce circuit constituant donc une charge pour la ligne couplée. adjustable 6, this circuit thus constituting a load for the coupled line.
Très avantageusement, la capacité ajustable 6 est constituée d'un varactor dont la cathode est reliée à la masse et dont l'anode est reliée d'une part à l'une des bornes de l'inductance 5 et d'autre part à une source de potentiel continu négatif -V (les potentiels -Vi, -V2,... respectifs appliqués aux varactors des différentes cellules ne sont en fait pas tout à fait identiques, le calcul théorique montrant que, même en présence de composants présentant une dispersion nulle, il est nécessaire de calibrer préalablement les potentiels -V1, -V2,... à des valeurs différentes (de quelques pourcents seulement, toutefois) pour accorder toutes les cellules Very advantageously, the adjustable capacitance 6 consists of a varactor whose cathode is connected to ground and whose anode is connected on the one hand to one of the terminals of the inductor 5 and on the other hand to a negative potential source -V (the potentials -Vi, -V2, ... respectively applied to the varactors of the different cells are not quite identical, the theoretical calculation showing that even in the presence of components having a dispersion zero, it is necessary to calibrate previously -V1, -V2, ... potentials to different values (only a few percent, however) to tune all cells
sur la même fréquence centrale).on the same center frequency).
La capacité du varactor étant fonction du potentiel continu appliqué à ses bornes, la fréquence d'accord du circuit résonnant LC variera avec la tension de commande du varactor. Le fonctionnement du filtre se trouvera alors modifié et son accord en fréquence dépendra essentiellement de la tension continue appliquée au varactor (bien entendu, pour un filtre à plusieurs cellules, on fait varier simultanément et de la même manière Since the capacitance of the varactor is a function of the DC potential applied to its terminals, the tuning frequency of the resonant circuit LC will vary with the control voltage of the varactor. The operation of the filter will then be modified and its tuning frequency will depend essentially on the DC voltage applied to the varactor (of course, for a multi-cell filter, it is varied simultaneously and in the same way
tous les potentiels -V1, -V2,... pour conserver l'accord correct du filtre). all potentials -V1, -V2, ... to maintain the correct agreement of the filter).
L'atténuation procurée par un tel filtre est illustrée sur la figure 4, o l'on voit que la courbe d'atténuation est similaire à celle de la figure 2, mais que sa fréquence centrale peut se déplacer entre une valeur FOmin et une valeur Fomax en fonction du potentiel appliqué à la cathode du varactor, la fréquence minimale étant obtenue pour la capacité maximale du varactor, correspondant elle-même au potentiel de commande le plus faible. En outre, si l'on se souvient que la fréquence d'accord d'un circuit LC dont l'élément capacitif est un varactor varie de façon sensiblement logarithmique avec la tension appliquée, on conçoit que les circuits de commande de la fréquence d'accord du filtre deviendront particulièrement simples, notamment par rapport aux circuits d'accord The attenuation provided by such a filter is illustrated in FIG. 4, where it can be seen that the attenuation curve is similar to that of FIG. 2, but that its central frequency can move between a value FOmin and a value Fomax as a function of the potential applied to the cathode of the varactor, the minimum frequency being obtained for the maximum capacity of the varactor, itself corresponding to the lowest control potential. Furthermore, if one remembers that the tuning frequency of an LC circuit whose capacitive element is a varactor varies substantially logarithmically with the applied voltage, it is conceivable that the control circuits of the frequency of tuning of the filter will become particularly simple, especially compared to tuning circuits
utilisés actuellement pour les filtres accordables à YIG. currently used for YIG tunable filters.
Par ailleurs, bien que l'on ait représenté un filtre à cinq cellules dont tous les circuits LC sont semblables, ce nombre de cinq cellules n'est en aucune façon limitatif, et dépend essentiellement de la sélectivité que l'on souhaite pour le filtre (en augmentant le nombre de cellules, on restreint la largeur de la bande réjectée), de la place dont on dispose sur le substrat pour intégrer les cellules, etc. On a décrit figure 5 un exemple d'implantation des composants, qui montre la manière dont on peut sans difficulté réaliser le filtre de la Moreover, although a five-cell filter has been represented, all the LC circuits of which are similar, this number of five cells is in no way limiting and depends essentially on the selectivity that is desired for the filter. (by increasing the number of cells, the width of the rejected band is restricted), the space available on the substrate to integrate the cells, etc. FIG. 5 is an example of implementation of the components, which shows how easily the filter of the
présente invention avec les techniques d'intégration connues en micro- present invention with the integration techniques known in micro-
électronique.electronic.
Le filtre est par exemple réalisé sur un substrat diélectrique 7 d'alumine (permittivité relative de 9,8) de faible épaisseur, dont la face inférieure 8 est métallisée de manière à constituer à la fois le plan de The filter is for example made on a dielectric substrate 7 of alumina (relative permittivity of 9.8) of small thickness, the lower face 8 is metallized so as to constitute both the plane of
masse et le support mécanique du circuit. mass and the mechanical support of the circuit.
La ligne de transmission 1 est une ligne de transmission classique, d'impédance voisine de 50 n, comportant un microruban s'étendant entre The transmission line 1 is a conventional transmission line, with impedance close to 50 n, comprising a microstrip extending between
un point d'entrée 9 et un point de sortie 10. an entry point 9 and an exit point 10.
De part et d'autre de cette ligne 1, on a distribué cinq segments de microruban 4 formant une ligne couplée; le filtre accordable a donc été réalisé avec cinq cellules mais, comme on vient de l'indiquer, ce nombre On either side of this line 1, five microstrip segments 4 have been distributed forming a coupled line; the tunable filter was thus made with five cells but, as just indicated, this number
526285.7 1526285.7 1
dépend largement des caractéristiques électriques finales que l'on souhaite obtenir. En regard de ces segments 4 sont prévus des étranglements 11,11 et 12,12 permettant, de manière connue, d'ajuster les impédances (en mode pair et en mode impair) de chacune des lignes couplées. L'une des extrémités de chaque segment 4 est en circuit ouvert, tandis que l'autre extrémité est reliée par un fil de liaison 5 à la cathode d'un varactor 6, ce fil de liaison formant l'inductance 5 du schéma de la depends largely on the final electrical characteristics that one wishes to obtain. Opposite these segments 4 are provided restrictions 11,11 and 12,12 allowing, in known manner, to adjust the impedances (in even mode and odd mode) of each of the coupled lines. One end of each segment 4 is in open circuit, while the other end is connected by a connecting wire 5 to the cathode of a varactor 6, this connecting wire forming the inductance 5 of the diagram of the
figure 3.figure 3.
Le varactor 6 est de préférence un composant réalisé sous forme d'un micropavé reporté en surface; la liaison de la cathode du varactor à la masse est réalisée au moyen d'un via métallisé 16 reliant la plage de The varactor 6 is preferably a component made in the form of a micropave reported on the surface; the cathode of the varactor is connected to ground by means of a metallized via 16 connecting the range of
circuit sur laquelle est soudé le micropavé au plan de masse 8 sousjacent. circuit on which the micropave is welded to the ground plane 8 underlying.
On applique le potentiel continu -V à l'anode du varactor par l'intermédiaire d'un filtre passe-bas comprenant un condensateur de découplage de forte capacité 13 et un fil de connexion 14 de longueur importante constituant une impédance de forte valeur, passant au-dessus d'une tranchée 15 délimitant les circuits hyperfréquences proprement dits et le substrat diélectrique d'alumine; on rend ainsi le circuit de commande en tension des varactors totalement neutre dans le domaine The continuous potential -V is applied to the anode of the varactor via a low-pass filter comprising a high capacitance decoupling capacitor 13 and a long connecting wire 14 constituting a high value impedance, passing above a trench 15 delimiting the microwave circuits themselves and the dielectric substrate of alumina; this makes the control circuit voltage of the varactors totally neutral in the field
des hyperfréquences.microwaves.
En complément, on peut prévoir de rendre le filtre commutable en remplaçant le circuit résonnant série par un circuit résonnant parallèle In addition, provision can be made to make the filter switchable by replacing the series resonant circuit with a parallel resonant circuit.
2 et en jouant sur la polarité de la tension appliquée aux varactors. 2 and playing on the polarity of the voltage applied to the varactors.
Dans ce cas, on peut mettre avantageusement plusieurs filtres coupe- In this case, it is advantageous to advantageously
bande du même type en cascade, chacun étant accordable sur une plage de fréquences différente. Par une commutation sélective de l'un ou l'autre des filtres, on peut ainsi couvrir une plage de fréquences beaucoup plus large que celle d'un seul filtre, s'étendant typiquement sur plusieurs octaves. Exemple de réalisation 36 On a réalisé un filtre à cinq cellules avec l'implantation de la figure 5, destiné à opérer dans les conditions de fonctionnement suivantes: - impédance caractéristique 50 n -bande passante (hors fréquence réjectée): 2 à 18 GHz, - plage d'accord possible: 7 à 10 GHz, band of the same type in cascade, each being tunable over a different frequency range. By selective switching of one or the other of the filters, it is thus possible to cover a much wider range of frequencies than that of a single filter, typically extending over several octaves. Embodiment 36 A five-cell filter was made with the implementation of FIG. 5, intended to operate under the following operating conditions: characteristic impedance 50 n-bandwidth (excluding frequency referenced): 2 to 18 GHz, - possible tuning range: 7 to 10 GHz,
- largeur de bande atténuée à - 25 dB: 300 MHz. - attenuated bandwidth at - 25 dB: 300 MHz.
Un filtre répondant à ces conditions est obtenu en prenant les caractéristiques suivantes: A filter meeting these conditions is obtained by taking the following characteristics:
262857 1262857 1
- cinq cellules, - impédances ZOE en mode pair et ZOO en mode impair des lignes couplées (en ohms) de chaque cellule n de cellule impédance ZOE impédance ZOO (mode pair) (mode impair) - five cells, - ZOE impedances in even mode and ZOO in odd mode of the coupled lines (in ohms) of each cell n of impedance cell ZOE impedance ZOO (even mode) (odd mode)
1 70,14 38,81 70.14 38.8
2 68,8 33,968.8 33.9
3 71,2 31,53 71.2 31.5
4 73,4 35,54 73.4 35.5
63,8 36,163.8 36.1
-capacité du varactor à -4V: C = 0,45 pF, - rapport maximal de variation de capacité Co/C25 = 3,7, -inductance du fil de connexion reliant le varactor à la ligne couplée: -capacity of the varactor at -4V: C = 0.45 pF, - maximum capacity variation ratio Co / C25 = 3.7, -inductance of the connecting wire connecting the varactor to the coupled line:
L = 0,73 nH.L = 0.73 nH.
Les performances du filtre ainsi réalisé sont données sur les figures 6 et The performance of the filter thus produced is given in FIGS.
7, qui représentent toutes deux la réponse du filtre (figure 6 pour toute la. 7, which both represent the filter response (Figure 6 for the entire.
largeur W de la bande de fonctionnement; figure 7 dans la plage de width W of the operating band; figure 7 in the range of
variation du filtre).filter variation).
On constate que la fréquence du filtre peut varier, de façon sensiblement logarithmique en fonction de la tension appliquée au varactor, entre environ 6,5 et 9,8 GHz, avec une largeur de bande atténuée w de 240 Mz à 25 dB et une réjection maximale de l'ordre de -40 dB, valeurs It can be seen that the filter frequency can vary substantially logarithmically as a function of the voltage applied to the varactor between approximately 6.5 and 9.8 GHz, with attenuated bandwidth w of 240 Mz at 25 dB and rejection. maximum of -40 dB, values
sensiblement constantes quelle que soit la fréquence d'accord. substantially constant regardless of the tuning frequency.
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