FR2678450A1 - Dispositif de filtrage coupe-bande hyperfrequence. - Google Patents

Dispositif de filtrage coupe-bande hyperfrequence. Download PDF

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Abstract

Le dispositif de filtrage coupe-bande hyperfréquence accordable comprend: - un ligne de transmission hyperfréquence principale (1); - au moins une cellule de filtrage comprenant un segment de ligne couplé (4) couplé à la ligne de transmission principale (1), disposé parallèlement et à distance de celle-ci, et un circuit résonnant LC accordable (5, 6). Selon l'invention, le circuit résonnant LC accordable (5, 6) est interposé entre l'une des extrémités du segment de ligne (4) et la ligne de transmission hyperfréquence principale (1).

Description

Dispositif de filtrage coupe-bande hyperfréquence accordable
L'invention se rapporte au domaine du filtrage coupe-bande hyperfréquence.
Elle trouve une application générale dans le traitement des signaux hyperfréquence et plus particulièrement dans les étages de réception hyperfréquence pour lesquels il peut être nécessaire de filtrer des signaux perturbateurs de fréquence généralement inconnue et instable pour pouvoir analyser et identifier des signaux utiles avec un bon rapport signal à bruit.
On connaît déjà des dispositifs de filtrage coupe-bande hyperfréquence accordable.
Par exemple, dans le Brevet français No 88 03187, publié sous le
No 2 628 571, la Société THOMSON a proposé un dispositif de filtrage coupe-bande hyperfréquence accordable qui comprend - une ligne de transmission hyperfréquence principale en technologie microbande, et - au moins une cellule de filtrage comprenant un segment de microbande couplé à la ligne de transmission principale, disposé parallèlement et à distance de celle-ci, et un circuit résonnant LC accordable.
Un signal appliqué à l'une des extrémités de la ligne de transmission est filtré, et la fréquence centrale du dispositif filtrant obtenue est variable grâce à une commande de la tension appliquée au circuit résonnant LC accordable.
Dans le Brevet No 88 03187, le segment de microbande a une première extrémité en circuit ouvert et une seconde extrémité reliée au potentiel de à la masse à travers le circuit résonnant
LC accordable comprenant notamment un varactor.
Une telle structure présente les inconvénients suivants.
Tout d'abord, la liaison de la seconde extrémité du segment microbande au potentiel de la masse à travers le circuit résonnant s'effectue à l'aide d'un trou métallisé qui engendre en hyperfréquence une inductance résiduelle de valeur typique de 0,2 à 0,3 nanohenrys. Or, ceci a pour conséquence de limiter l'application du dispositif de filtrage dans la gammes des hautes fréquences (typiquement au-dessus de 12 GHz). De plus, les pertes associées à ce trou métallisé diminuent les performances globales du filtre et notamment le coefficient de surtension du circuit résonnant.
Ensuite, pour assurer un bon fonctionnement du filtre, l'accès du trou métallisé au plan de masse doit être facile et rapide.
Or, ceci conduit à exclure la technologie dite à substrat suspendu et à utiliser exclusivement une technologie de type microbande.
Enfin, la cellule de filtrage alimentant la diode varactor dans le Brevet susmentionné est très difficile à réaliser pour des fonctionnements dans une très grande bande d'utilisation et/ou avec une grande vitesse d'accord.
Un des buts de l'invention est de remédier à ces inconvénients.
A cet effet, l'invention propose une nouvelle structure permettant de modifier la connexion du circuit résonnant LC accordable.
Ainsi, selon une caractéristique importante de l'invention, le circuit résonnant LC accordable est interposé entre l'une des extrémités du segment de ligne couplé et la ligne de transmission hyperfréquence principale.
Cette structure selon l'invention, qui dérive de la structure à fréquence fixe appelée par l'homme de l'art "SPURLINE", présente les avantages suivants - implémentation facile des éléments et intégration aisée en micro-électronique - suppression du trou métallisé en hyperfréquence - amélioration des performances notamment au niveau de la largeur de bande utilisable et de la fréquence d'accord - choix plus ouvert dans la technologie des lignes de transmission en particulier posibilité d'utiliser la technologie à substrat suspendu.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le circuit résonnant LC accordable comprend une inductance montée en série avec une capacité ajustable, l'autre des extrémités du segment de ligne couplé étant en circuit ouvert.
Dans ce cas, la capacité ajustable est avantageusement constituée d'un varactor dont l'une des électrodes est reliée à l'une des extrémités du segment de ligne couplé et dont l'autre électrode est reliée d'une part à l'une des bornes de l'inductance et d'autre part à un circuit de commande.
Selon un autre mode de réalisation préféré de l'invention, le circuit résonnant LC accordable comprend une inductance montée en parallèle avec une capacité ajustable, l'autre des extrémités du segment de ligne couplé étant reliée à la masse.
Toutefois, cette dernière structure présente l'inconvénient de nécessiter un trou métallisé en hyperfréquence.
Dans les structures classiques de filtrage, le varactor est commandé par un circuit de commande comprenant une source de potentiel découplée des hyperfréquences par une self inductance ou par un diplexeur.
La Demanderesse s'est posé le problème de commander le varactor de façon plus simple et à faible coût tout en améliorant les performances du filtre en basse fréquence, c'est-à-dire pour des fréquences inférieures à 2 GHz.
La solution à ce problème consiste selon l'invention à utiliser un circuit de commande comprenant une résistance de valeur ohmique élevée qui ne perturbe pas ou peu le régime d'onde hyperfréquence.
Le principe de fonctionnement d'un varactor étant celui d'une diode en polarisation inverse, le courant délivré par un tel circuit de commande selon l'invention est négligeable et la tension de commande est intégralement transmise au varactor.
Un tel circuit de commande du varactor procure les avantages suivants - implémentation facile de la résistance et intégration aisée et peu onéreuse en micro-électronique - meilleur maintien de l'impédance du circuit de commande du varactor à des valeurs fortes en large bande hyperfréquence et donc amélioration de la platitude de la réponse électrique dudit circuit de commande du varactor - absence d'effet de filtre dans le circuit de commande du varactor et donc extension possible de l'utilisation du dispositif de filtrage vers les basses fréquences ; et - possibilité de branchement du circuit de commande du varactor sur le varactor lui-même ou sur la liaison du circuit résonnant
LC accordable avec la ligne de transmission principale.
Dans le cadre d'un fonctionnement en large bande de 2 à 18 Ghz par exemple, le dispositif de filtrage selon l'invention est utilisé en coupe ou réjecteur de bande dans lequel il coupe une petite bande de filtrage et positionne cette dernière dans la large bande de 2 à 18 GHz.
Selon la théorie générale de ce genre de filtre en hyperfréquence, lorsque ledit filtre opère à un quart de longueur d'onde à la fréquence centrale de réjection du filtre, il opère aussi à trois fois le quart de longueur d'onde (ceci étant rigoureusement vrai pour les filtres à fréquence fixe).
Par exemple, lorsque le filtre du Brevet mentionné ci-avant opère à 4 GHz, il réjectera également à une autre fréquence située entre 8 et 12 GHz.
Or, cette réjection parasite entre 8 et 12 GHz est très gênante dans le cadre d'un fonctionnement en large bande de 2 à 18 GHz.
Il y a lieu de remarquer que les conditions de résonnance d'un filtre selon l'invention en fréquence variable sont différentes de celles en fréquence fixe. Plus précisément, les conditions de résonnance en fréquence variable sont telles que les réjections parasites apparaissent non plus à trois fois là fréquence de référence mais plutôt sensiblement vers les deux fois ; la fréquence de référence étant la fréquence à laquelle la structure élémentaire correspond à un quart de longueur d'onde.
Il en résulte qu'il est encore plus difficile d'opérer en fréquence variable pour ce qui concerne la première partie de la plage 2 à 18 GHz sans être gêné par lesdites réjections parasites.
C'est pourquoi, le filtre du Brevet susmentionné réjecte en pratique seulement à partir de 6,5 GHz.
Un autre but de l'invention est justement de fournir un dispositif de filtrage coupe-bande hyperfréquence accordable apte à réjecter efficacement à fréquence plus basse tout en gardant une bande utile supérieure ou égale à celle de 2 à 18 GHz.
A cet effet, l'invention utilise un dispositif de filtrage du type mentionné ci-avant.
Selon une autre caractéristique importante de l'invention, la ligne de transmission hyperfréquence principale est subdivisée en deux tronçons adjacents, le segment de ligne étant couplé au premier tronçon de longueur électrique choisie L1, le second tronçon étant libre et de longueur électrique choisie L2, et la somme des longueurs L1 et L2 correspondant sensiblement à un quart de la longueur d'onde à la fréquence centrale de réjection du filtre.
L'homme de l'art comprendra qu'une telle structure peut être utilisée dans un filtre comprenant une pluralité de cellules de filtrage, la ligne de transmission hyperfréquence principale étant alors subdivisée en une pluralités de paires de tronçons adjacents agencés comme mentionné ci-avant.
Il est à remarquer que le choix des longueurs L1, L2 et L1+L2 permet de conserver la phase adéquate entre chaque cellule de filtrage.
Par ailleurs, le choix de la longueur L1 du premier tronçon permet de déplacer la bande parasite coupe-bande à plus de deux fois la valeur Vg/4.L1 où Vg est la vitesse de groupe dans le milieu de transmission pour un fonctionnement du dispositif de filtrage réjecteur centré à Vg/4(L1+L2).
Ainsi, grâce à l'invention, il sera possible d'opérer en fréquence variable dans la première partie de la plage 2 à 18 GHz sans être gêné par les réjections parasites.
Dans un exemple de réalisation, la longueur L1 est de l'ordre de 3,3 mm, la longueur L2 est de l'ordre de 1,7 mm et la fréquence centrale de réjectiondu filtre est de 6 GHz.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description détaillée ci-après et des dessins dans lesquels - la figure 1 représente schématiquement un dispositif de filtrage hyperfréquence accordable selon l'art antérieur - la figure 2 représente une courbe d'atténuation du filtre décrit en référence à la figure 1 - la figure 3 est une vue schématique d'une cellule de filtrage à circuit résonnant LC monté en série entre la ligne de transmission principale et le segment de ligne couplé selon l'invention ; - la figure 4 est une vue schématique d'une cellule de filtrage avec un circuit résonnant LC monté en parallèle entre la ligne de transmission principale et le segment de ligne couplé selon l'invention - la figure 5 est une vue schématique du circuit de commande du varactor associé au dispositif décrit en référence à la figure 3 - la figure 6 est une vue schématique d'un masque d'un dispositif à trois cellules de filtrage des figures 3 et 5 selon l'invention - la figure 7 est une vue schématique du circuit de commande du varactor associé au dispositif de la figure I selon l'invention - la figure 8 est une vue schématique d'un masque d'un dispositif à trois cellules de filtrage des figures 1 et 7 selon l'invention - la figure 9 est une vue schématique de la subdivision de la ligne de transmission principale associée à trois cellules de filtrage de la figure 8 selon l'invention ; et - la figure 10 est une vue schématique de la subdivision de la ligne de transmission principale associée à trois cellules de filtrage de la figure 9 selon l'invention.
Sur la figure 1, on a représenté la structure revendiquée dans le Brevet français No 88 03187 relative à 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 de microbande ou microruban reliant un générateur 2 de signaux hyperfréquence à une impédance de charge 3.
Il est prévu au moins une cellule de filtrage formée d'un segment microbande 4 disposé parallèlement à la ligne de transmission, ayant une longueur électrique correspondant sensiblement à un quart de longueur d'onde à la fréquence centrale de réjection que l'on veut donner au filtre.
Le segment 4 a l'une de ses extrémités en circuit ouvert et l'autre de ses extrémités reliée à la masse à travers un circuit résonnant LC accordable formé d'une inductance 5 en série avec une capacité ajustable 6, ce circuit constituant donc une charge pour la ligne couplée.
En pratique, 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.
Le dispositif de filtrage peut comprendre par exemple 5 cellules de filtrage formées chacune d'un segment 4. Il est à remarquer qu'en augmentant le nombre de cellules, on ajuste la forme de la réponse du filtre.
L'atténuation procurée par un tel filtre est illustrée sur la figure 2, où l'on voit que la fréquence centrale FO peut se déplacer entre une valeur minimale FOmin et une valeur maximale
FOmax en fonction du potentiel appliqué à la cathode du varactor, la fréquence minimale étant obtenue par la capacité maximale du varactor, correspondant elle-même au potentiel de commande le plus faible.
La fréquence centrale FO est déterminée par la longueur de chaque segment 4 et la largeur de bande réjectée dépend du nombre de cellules et de l'impédance de la ligne couplée de chacune d'entre elles.
Selon l'invention, on modifie comme illustré figure 3, la connexion du circuit résonnant LC accordable. Ainsi, selon l'invention, le circuit résonnant LC accordable est maintenant interposé entre l'une des extrémités du segment microbande 4 et la ligne de transmission hyperfréquence 1.
Plus précisément, la capacité ajustable 6 est constituée d'un varactor dont la cathode est reliée à l'une des extrémités de la ligne de transmission 1 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.
La capacité du varactor étant fonction du potentiel continu appliqué à ses bornes, la fréquence d'accord du circuit résonnant
LC varie avec la tension de commande du varactor.
Le fonctionnement du filtre se trouve alors modifié et son accord en fréquence dépend essentiellement de la tension continue appliquée au varactor.
Bien entendu, il est possible d'implanter plusieurs cellules de filtrage autour de la ligne de transmission. Dans ce cas, on fait varier simultanément tous les potentiels -V pour conserver l'accord correct du filtre.
L'atténuation procurée par un tel filtre est sensiblement identique à celle illustrée sur la figure 2.
Il est à remarquer que la structure représentée à la figure 3 a l'avantage de pouvoir être réalisée en technologie microruban et aussi en technologie à substrat suspendu grâce à l'absence de trou métallisé.
Sur la figure 4, le circuit résonnant LC accordable, interposé entre l'une des extrémités du segment microbande et la ligne de transmission hyperfréquence, comprend une inductance 5 montée en parallèle avec une capacité ajustable 6.
Il est à remarquer que l'autre extrémité du segment microbande 4 est reliée au potentiel de la masse.
Plus précisément, la capacité ajustable est constituée d'un varactor dont la cathode est reliée à l'une des extrémités de la ligne hyperfréquence et dont l'anode est reliée d'une part à la ligne microruban et d'autre part au circuit de commande.
Sur la figure 5, on retrouve le dispositif de filtrage décrit en référence à la figure 3.
Selon l'invention, le circuit de commande du varactor comprend une source de potentiel 7 qui alimente le varactor à travers une résistance de valeur ohmique élevée 8.
Par exemple, la valeur ohmique de la résistance 8 est de l'ordre de quelques milliers d'ohms pour un fonctionnement correct du varactor.
Sur la figure 6, on a représenté un masque en technologie microbande d'un dispositif de filtrage à trois cellules de filtrage du type de celle décrite en référence aux figures 3 et 5.
On y retrouve la ligne de transmission hyperfréquence principale 1 à laquelle sont associées trois cellules de filtrage.
Une cellule de filtrage est composée d'un segment de ligne 4 couplé à un tronçon de ligne 9 et d'un circuit résonnant LC accordable interposé entre le tronçon 9 et le segment 4.
Le circuit résonnant LC est constitué d'un varactor 6 et d'une inductance 5.
En technologie microbande, le varactor 6 est constitué d'un pavé apposé sur le segment de ligne 4 et l'inductance 5 est constituée d'un fil de liaison placé entre le varactor 6 et le tronçon de ligne 9.
La résistance 8 du circuit de commande du varactor est constituée d'une bande connectée à l'une des extrémités du segment de ligne 4. La source de potentiel 7 alimente la résistance 8.
Avantageusement, la résistance 8 est appliquée le plus près possible du varactor, mais les contraintes d'implémentation peuvent conduire à le positionner par exemple en tout point du segment de ligne.
Il est à remarquer que les tronçons 9 adjacents ont une longueur électrique sensiblement égale à celle des segments de ligne 4.
Cette longueur correspond sensiblement à un quart de longueur d'onde à la fréquence centrale de réjection du filtre. Par exemple, pour une fréquence centrale de réjection de 6 GHz, la longueur des tronçons 9 et segments 4 est de l'ordre de 5 mm.
Sur la figure 7, il est représenté le circuit de commande du dispositif de filtrage décrit en référence à la figure 1.
On retrouve le circuit de commande décrit en référence à la figure 5 constitué d'une résistance 8 de valeur ohmique élevée et d'une source de potentiel 7 qui est appliquée à l'anode du varactor 6.
Sur la figure 8, on a représenté un masque en technologie microbande d'un dispositif de filtrage à trois cellules de filtrage du type de celle décrite en référence aux figures 1 et 7.
On y retrouve la ligne de transmission hyperfréquence principale 1 à laquelle sont associées trois cellules de filtrage.
Chaque cellule de filtrage est composée d'un segment de ligne 4 couplé à un tronçon de ligne 9 et d'un circuit résonnant LC accordable interposé entre la masse et l'une des extrémités du segment de ligne 4.
En technologie microbande, la masse est représentée par un trou métallisé 15 (en traits tiretés sur la figure 8).
L'inductance 5 est constituée d'un bloc 13 sur lequel est apposé le pavé 6 formant varactor. Des fils de liaison 14 relient le varactor 6 à la résistance 8 du circuit de commande dudit varactor selon l'invention.
Comme sur la figure 6, les tronçons de ligne adjacents 9 ont une longueur électrique sensiblement égale à celle des segments de ligne 4.
Cette longueur électrique correspond sensiblement à un quart de longueur d'onde à la fréquence centrale de réjection du filtre.
Sur la figure 9, on a représenté un masque d'un dispositif de filtrage ayant sa ligne de transmission hyperfréquence subdivisée en plusieurs tronçons adjacents de longueurs électriques différentes pour déplacer les réjections parasites au-delà de la bande utile 2-18 GHz.
Le dispositif de filtrage est ici associé à trois cellules de filtrage telles que celles décrites en référence aux figures 1 et 8.
Selon l'invention, la ligne de transmission hyperfréquence est subdivisée en une pluralité de paires de tronçons adjacents 10 et 11.
Le segment de ligne 4 de chaque cellule de filtrage est couplé au premier tronçon 10 de longueur électrique L1.
Le second tronçon 11, adjacent au tronçon 10, est libre. Il a une longueur électrique L2.
Pour conserver une phase adéquate entre chaque cellule de filtrage, la somme des longueurs L1 et L2 est choisie de telle sorte qu'elle soit sensiblement égale à un quart de longueur d'onde à la fréquence centrale de réjection du filtre.
Par exemple, pour L1 égale à 3,3 mm, L2 égale à 1,7 mm, et une fréquence centrale de 6 GHz, la Demanderesse a constaté de façon surprenante que les fréquences de réjection parasites apparaissent au-delà de 18 GHz.
Sur la figure 10, on a représenté un masque d'un dispositif de filtrage à trois cellules de filtrage du type de celles décrites en référence aux figures 3, 5 et 6.
Selon l'invention, la ligne de transmission principale 1 est subdivisée en une pluralité de paires de tronçons adjacents 10 et 11 pour rejeter les réjections parasites au-delà de la bande utile 2-18 GHz.
Il est à remarquer que les tronçons 10 et 11 sont délimités par des épaulements 17.
Il est à noter que généralement les segments de ligne couplés 4 présentent une largeur de valeur égale à celle de la ligne de transmission principale 1.
En variante, ils peuvent aussi être réalisés (par exemple le segment de ligne couplé 4 de la cellule principale figure 10) à partir de lignes de largeurs différentes. Une telle variante présente l'avantage d'introduire un degré de sécurité supplémentaire qui peut être utile dans la synthèse du filtre ou dans le réglage de paramètres du filtre tel que la largeur de la bande de réjection du filtre en fonction de la fréquence d'accord.
L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits ci-avant, mais en embrasse toutes les variantes qui sont contenues dans le cadre des revendications ci-après.

Claims (13)

Revendications
1. Dispositif de filtrage coupe-bande hyperfréquence accordable comprenant - un ligne de transmission hyperfréquence principale (1) - au moins une cellule de filtrage comprenant un segment de ligne couplé (4) couplé à la ligne de transmission principale (1), disposé parallèlement et à distance de celle-ci, et un circuit résonnant LC accordable (5,6), caractérisé en ce que le circuit résonnant LC accordable (5,6) est interposé entre l'une des extrémités du segment de ligne (4) et la ligne de transmission hyperfréquence principale (1).
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la ligne de transmission hyperfréquence principale (1) est en technologie microbande.
3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la ligne de transmission hyperfréquence principale (1) est en technologie à substrat suspendu.
4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le circuit résonnant LC accordable comprend une inductance (5) montée en série avec une capacité ajustable (6), l'autre des extrémités du segment de ligne couplé étant en circuit ouvert.
5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le circuit résonnant LC accordable comprend une inductance montée en parallèle avec une capacité ajustable, l'autre des extrémités du segment de ligne couplé étant reliée au potentiel de la masse.
6. Dispositif selon la revendication 4 ou la revendications 5, caractérisé en ce que la capacité ajustable est constituée d'un varactor dont l'une des électrodes est reliée à l'une des extrémités du segment de ligne couplé et dont l'autre électrode est reliée d'une part à l'une des bornes de l'inductance et d'autre part à un circuit de commande (7).
7. Dispositif de filtrage coupe-bande hyperfréquence accordable selon l'une des revendications précédentes, comprenant - une ligne de transmission hyperfréquence principale (1) - au moins une cellule de filtrage comprenant un segment de ligne (4) couplé à la ligne de transmission principale (1), disposé parallèlement et à distance de celle-ci, et un circuit résonnant
LC accordable (5,6) comprenant un varactor commandé en tension par un circuit de commande (7) caractérisé en ce que le circuit de commande (7) comprend une résistance de valeur ohmique élevée (8) alimentée par un générateur de tension.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le segment de ligne couplé a une longueur électrique correspondant sensiblement à un quart de longueur d'onde à la fréquence centrale de réjection du filtre.
9. Dispositif de filtrage coupe-bande hyperfréquence accordable selonl'une des revendications précédentes, comprenant - une ligne de transmission hyperfréquence principale (1) - au moins une cellule de filtrage comprenant un segment de ligne (4) couplé à la ligne de transmission principale (1), disposé parallèlement et à distance de celle-ci, et un circuit résonnant
LC accordable (5,6), caractérisé en ce que la ligne de transmission hyperfréquence principale (1) est subdivisée en au moins deux tronçons adjacents, le segment de ligne (4) étant couplé au premier tronçon de ligne (10) de longueur électrique choisie (L1), le second tronçon (11) étant libre et de longueur électrique choisie (L2), et la somme des longueurs (L1 et L2) correspondant sensiblement à un quart de la longueur d'onde à la fréquence centrale de réjection du filtre.
10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que la longueur (L1) est de l'ordre de 3,3 mm, et la longueur (L2) est de l'ordre de 1,7 mm lorsque la fréquence centrale de réjection est de l'ordre de 6 GHz.
11. Dispositif selon la revendication 9 ou la revendication 10, caractérisé en ce que la ligne de transmission hyperfréquence principale (1) est subdivisée en une pluralité de paires de tronçons (10 et 11), à chaque paire étant associée une cellule de filtrage.
12. Dispositif selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé en ce que le segment de ligne couplé (4) présente une largeur de valeur égale à celle de la ligne de transmission principale (1).
13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le segment de ligne couplé (4) présente une largeur de valeur différente à celle de la ligne de transmission principale (1).
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