FR2835355A1

FR2835355A1 - Filtre passif a resonateur dielectrique

Info

Publication number: FR2835355A1
Application number: FR0200953A
Authority: FR
Inventors: Claude Thebault
Original assignee: France Telecom SA
Current assignee: Orange SA
Priority date: 2002-01-25
Filing date: 2002-01-25
Publication date: 2003-08-01
Anticipated expiration: 2022-01-25
Also published as: FR2835355B1

Abstract

La présente invention se rapporte à un filtre (100) à résonateur (RD) diélectrique et à bande de fréquence très étroite. Le résonateur (RD) diélectrique est disposé entre deux extrémités (21, 21') sensiblement circulaires de deux lignes (20, 20') électriquement conductrices. Le résonateur (RD) et les lignes (20, 20') sont placés dans une cavité (11) métallique cylindrique. Ce filtre trouve ses applications notamment dans les systèmes de transmission à très haut-débit pour faire par exemple de la récupération de fréquence d'horloge.

Description

FILTRE PASSIF A RESONATEUR DIELECTRIQUE
La présente invention concerne un filtre passif à résonateur diélectrique.

L'invention se situe dans le domaine des hyperfréquences et trouve typiquement son application dans les filtres bande très étroite capables d'extraire, dans une bande de fréquences, une fréquence d'horloge d'un système de transmission à haut-débit.

Les filtres du commerce permettent d'extraire des fréquences ne dépassant pas 1,2 GHz, qui sont trop basses par rapport aux systèmes haut-débit qui existent aujourd'hui. En effet, du fait de l'évolution des systèmes de transmission à haut débit, le besoin s'est fait sentir de réaliser des filtres capables d'extraire des fréquences plus élevées, supérieures ou égales à 5 GHz.

Il est connu d'utiliser les résonateurs diélectriques dans des oscillateurs afin de stabiliser la fréquence d'oscillation.

Il est également connu d'utiliser plusieurs résonateurs diélectriques juxtaposés dans un bloc de céramique pour réaliser des filtres diélectriques large bande. Ces filtres sont utilisés notamment dans des applications liées à la téléphonie mobile. Cependant ils ne sont pas capables d'extraire avec précision une seule fréquence dans une bande de fréquences. De plus, ils sont très encombrants et ne peuvent donc pas être intégrés sur des circuits électroniques. Ils sont en outre difficiles à réaliser car ils nécessitent une grande précision dans l'usinage des différentes pièces de constitution.

Aussi, le problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention est de proposer un filtre passif à résonateur diélectrique et à bande de fréquence très étroite qui permettrait d'extraire avec précision une

fréquence supérieure ou égale à 5 GHz dans une bande de fréquences, sans perturbation due à des fréquences parasites.

La solution au problème technique posé est obtenue, selon la présente invention, du fait que ledit filtre est remarquable en ce que ledit résonateur diélectrique est disposé sur un substrat, entre deux extrémités sensiblement circulaires de deux lignes électriquement conductrices, et en ce que l'ensemble constitué par ledit résonateur, couplé électromagnétiquement auxdites extrémités desdites lignes conductrices, et ledit substrat est placé dans une cavité métallique cylindrique.

Ainsi, grâce à sa configuration, le filtre selon l'invention permet d'extraire facilement et très précisément une fréquence très élevée, supérieure ou égale à 5 GHz, sans apparition de fréquences parasites, et ce avec une bonne reproductibilité. De plus, l'encombrement du filtre étant considérablement réduit, il est possible de l'intégrer sur un circuit électronique. Enfin, le filtre selon l'invention est simple à réaliser car il ne nécessite pas plusieurs étapes d'usinage de pièces.

D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple illustratif et non limitatif en référence aux figures annexées qui représentent : - la figure 1, un schéma d'une vue de dessus d'un filtre passif selon l'invention,

- la figure 2, un schéma en coupe d'un filtre passif selon l'invention, - la figure 3A, un spectre en fréquence obtenu au moyen d'un filtre passif à 5 GHz selon l'invention, - la figure 3B, un spectre en fréquence obtenu au moyen d'un filtre passif à 10 GHz selon l'invention,

la figure 3C, un spectre en fréquence obtenu au moyen d'un filtre passif à 20 GHz selon l'invention.

Un mode préféré de réalisation d'un filtre passif à résonateur diélectrique selon l'invention est schématisé en vue de dessus sur la figure 1. Ce filtre, référencé 100, comporte un circuit à micro-ruban constitué de deux

lignes 20, 20'électriquement conductrices, dont les extrémités 21, 21'en vis-à-vis (encore dénommées "stub" dans la terminologie anglo-saxonne des hyperfréquences) forment chacune une portion de cercle.

Un résonateur diélectrique RD est disposé au centre

des extrémités 21, 21'sensiblement circulaires, de telle manière que les distances e, e'entre chacune des extrémités 21, 21'et le résonateur RD soient identiques.

Le résonateur RD diélectrique étant cylindrique, il est placé facilement et avec précision au centre des portions du cercle formé par les extrémités 21, 21'en vis-à-vis. Il est en outre possible de choisir, au moment de la fabrication du circuit à micro-ruban, le rayon de courbure des extrémités 21, 21'circulaires de telle sorte que leur distance e, e'par rapport au résonateur RD permet d'obtenir une valeur de pertes prédéterminée. La distance e, e'conditionne donc la valeur des pertes du filtre.

Selon la valeur de cette distance e, e', il est possible d'obtenir de très faibles pertes, de l'ordre du dB. Pour comparaison, les filtres actuels du commerce, fonctionnant jusqu'à 1,2 GHz, présentent encore des pertes de l'ordre de 5 à 6 dB.

Le fait de décaler le résonateur RD, par rapport au centre des portions du cercle formé par les extrémités 21, 21'en vis-à-vis, entraîne une modification du couplage électromagnétique entre le résonateur RD et les lignes conductrices 20, 20'et des perturbations dans le fonctionnement du filtre.

Les lignes 20, 20'présentent de préférence une impédance de 50 ohms et la longueur des extrémités 21, 21' est de préférence égale à Â/4, où la longueur d'onde k est fonction de la fréquence F de fonctionnement du filtre 100

et obéit à la relation bien connue X = (C/F) * (1/4self). Une autre valeur d'impédance des lignes 20, 20'conductrices ou une longueur différente des extrémités 21, 21'aurait pour conséquence de modifier le fonctionnement du circuit à micro-ruban.

Selon la fréquence de fonctionnement du filtre à réaliser, c'est à dire selon qu'il doit fonctionner à des fréquences de 5,10 ou 20 GHz par exemple, le résonateur RD est réalisé dans un matériau céramique différent favorisant une bande de fréquences particulière entourant la fréquence de fonctionnement. Cependant, pour qu'il fonctionne dans des conditions optimales, le résonateur doit être entouré d'un blindage métallique. C'est pourquoi, le résonateur et le circuit à micro-ruban sont placés dans une cavité 11 cylindrique d'un boîtier 10 métallique.

Le boîtier 10 est par exemple réalisé en laiton. Il présente l'avantage d'être simple à usiner, puisqu'il suffit de réaliser une cavité 11 cylindrique en une seule étape de fraisage dans un cube de métal.

Le résonateur RD et le circuit à micro-ruban sont disposés sur un substrat S diélectrique tel que représenté sur le schéma d'une vue en coupe de la figure 2. Le matériau de constitution du substrat S est un matériau diélectrique quelconque. Cependant, la nature et les caractéristiques de ce matériau conditionnent la largeur Wd des lignes 20, 20'conductrices, afin d'obtenir des lignes d'impédance égale à 50 ohms.

Les lignes 20, 201 conductrices sont par exemple réalisées dans un premier temps par dépôt de cuivre sur toute la surface du substrat S puis, dans un deuxième

temps, par une insolation à travers un masque afin d'enlever le surplus de cuivre déposé et de ne garder que les lignes 20, 20'conductrices.

D'autre part, il s'avère que les dimensions de la cavité 11 cylindrique jouent également un rôle très important sur le bon fonctionnement du filtre 100 et la reproductibilité de ses résultats. Ainsi, les meilleurs résultats sont obtenus d'une part, lorsque le diamètre de la cavité 11 cylindrique est trois fois supérieur à celui du résonateur RD diélectrique et d'autre part, lorsque la hauteur de la cavité 11 cylindrique est égale à 2,5 fois la hauteur du résonateur RD.

Ce rapport de dimensions permet d'obtenir un filtre de très faible encombrement si bien qu'il est possible de l'intégrer sur un circuit électronique radiofréquence. Pour cela, la cavité 11 cylindrique forme un trou débouchant dans le boîtier 10 métallique de telle sorte que le filtre ne possède plus de fond 40. Les lignes 20, 20'conductrices sont réalisées directement sur le substrat supportant le circuit électronique radiofréquence, le résonateur RD est disposé sur ce substrat, et le boîtier 10 métallique est fixé sur ce substrat de telle sorte que la cavité 11 cylindrique englobe le résonateur RD et les extrémités 21, 21' circulaires des lignes conductrices 20, 20'.

La cavité 11 cylindrique est fermée sur le dessus par un couvercle C. Grâce à sa configuration et à ses dimensions réduites, ce filtre 100 permet d'extraire la fréquence désirée avec une grande précision et d'obtenir un coefficient de surtension (encore dénommé coefficient de qualité Q = F/AF) très élevé, qui peut être compris entre 500 et 2000.

Dans une variante, une vis V peut en outre être rajoutée pour permettre un ajustement encore plus précis de la fréquence. Dans ce cas, un trou fileté est prévu

dans le couvercle C afin d'y introduire la vis V. Le fait d'enfoncer plus ou moins cette vis V dans la cavité 11 cylindrique est suffisant pour créer une variation de volume telle que l'ajustement précis de la fréquence est rendu possible.

Dans une autre variante, une cale 30 en céramique peut être placée entre le résonateur RD et le substrat S. Cette cale 30 est par exemple réalisée en alumine, qui est un matériau facile à usiner. Une telle cale permet de modifier le couplage entre le résonateur RD et les extrémités 21, 21'. Ainsi, selon la hauteur de la cale 30 le filtre 100 présente des pertes de valeurs différentes. Par conséquent, il est possible d'ajuster les pertes en plaçant une cale 30 de hauteur prédéterminée.

Les figures 3A, 3B, et 3C illustrent des spectres en fréquences obtenus avec des filtres réalisés, selon l'invention, pour fonctionner respectivement à une fréquence de 5GHz, 10GHz et 20GHz. Les filtres ainsi réalisés permettent d'extraire précisément, dans une bande de fréquences, une fréquence de valeur prédéterminée sans que celle-ci soit perturbée par des fréquences parasites.

De plus l'ajustement de la fréquence est très précis puisque les valeurs de variation de fréquence AF mesurées pour une atténuation de 3 dB sont comprises entre 8 et 15 MHz. La précision sur la fréquence obtenue atteint donc des valeurs comprises entre 0, 2% et 0, 07%, selon la fréquence de fonctionnement du filtre (5,10 et 20 GHz dans l'exemple qui nous intéresse). Une telle précision n'a jamais été atteinte jusqu'à présent alors qu'elle est nécessaire pour pouvoir faire de la récupération de fréquence d'horloge par exemple. Le coefficient de surtension obtenu avec ces filtres est également très élevé puisqu'il est respectivement de l'ordre de 500, 1131 et 1500.

Le filtre 100 présente également l'avantage d'avoir une bonne tenue en température comme le montrent les résultats listés dans le tableau ci-dessous.

Température <SEP> Fréquence <SEP> Atténuation
<tb> (OC) <SEP> (MHz) <SEP> (dB)
<tb> 0 <SEP> 9952.8 <SEP> 6.94
<tb> 20 <SEP> 9951.2 <SEP> 8.6
<tb> 40 <SEP> 9951.2 <SEP> 8.56
<tb> 60 <SEP> 9951.2 <SEP> 8.68
<tb> 70 <SEP> 9951. <SEP> 2 <SEP> 8. <SEP> 78
<tb> AT <SEP> = <SEP> 700C <SEP> AF <SEP> = <SEP> 1.6 <SEP> MHzAatt <SEP> = <SEP> 1.84 <SEP> dB
<tb>

Le filtre à bande très étroite qui vient d'être décrit n'est qu'une illustration et n'est en aucun cas limité à cet exemple. Il trouve ses applications notamment dans le domaine des transmissions à très haut-débit, pour faire par exemple de la récupération de fréquence d'horloge, de la régénération de fréquence, des diviseurs de fréquence, ou bien des démultiplexeurs optiques etc...

Claims

21') sensiblement circulaires de deux lignes (20, 20') électriquement conductrices, et en ce que l'ensemble constitué par ledit résonateur (RD), couplé électromagnétiquement auxdites extrémités (21, 21') desdites lignes (20, 20') conductrices, et ledit substrat (S) est placé dans une cavité (11) métallique cylindrique.

REVENDICATIONS 1. Filtre passif à résonateur (RD) diélectrique et à bande de fréquence très étroite, caractérisé en ce que ledit résonateur (RD) diélectrique est disposé sur un substrat (S), entre deux extrémités (21,
2. Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre de la cavité (11) cylindrique est trois fois supérieur à celui dudit résonateur (RD) diélectrique.
3. Filtre selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la hauteur de la cavité (11) cylindrique est égale à 2,5 fois la hauteur dudit résonateur (RD) diélectrique.
4. Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une vis (V) de réglage pour ajuster la fréquence en faisant varier le volume de la cavité (11) cylindrique.
5. Filtre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la longueur des extrémités (21, 21') circulaires des deux lignes (20, 20') conductrices est égale à'A./4, où la

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longueur d'onde dépend de la fréquence de fonctionnement du filtre.
6. Filtre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une cale (30), placée entre le résonateur (RD) diélectrique et le substrat (S), destinée à modifier le couplage électromagnétique entre le résonateur (RD) et les extrémités (21, 21') des lignes (20, 20') conductrices.