FR2947683A1 - Filtre rejecteur de bande - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un filtre réjecteur de bande (20) apte à filtrer des signaux perturbateurs dans la bande UHF. Le filtre comprend une première voie de transmission de signal, dite voie directe (23), et une seconde voie de transmission de signal, dite voie secondaire (24), disposées entre l'entrée du filtre (21) et la sortie du filtre (22), ces deux voies étant couplées entre elles à l'entrée du filtre et à la sortie du filtre et comprenant chacune au moins une ligne de transmission. La voie secondaire (24) comprend un élément résonant dont la fréquence de résonance est égale à une fréquence de réjection du filtre. La voie directe (23) et la voie secondaire (24) sont conçues pour introduire, à la fréquence de réjection, un déphasage de 180° entre le signal circulant à travers la voie directe et le signal circulant à travers la voie secondaire. Selon l'invention, la voie secondaire comprend en outre au moins un circuit à résistance négative (246) pour réduire, voire annuler, les pertes d'insertion du filtre. La présence de ce circuit à résistance négative dans la voie secondaire permet de compenser au moins partiellement aussi bien les pertes diélectriques liées au substrat que les pertes métalliques des lignes de transmission.

Description

i La présente invention concerne un filtre réjecteur de bande ou filtre stop-bande. L'invention est applicable aux systèmes de transmission et/ou réception répondant aux normes DVB-H (pour Digital Video Broadcasting û Handheld) ou DVB-T (pour Digital Video Broadcasting û Terrestrial). L'invention trouve plus particulièrement une application dans les récepteurs de télévision numérique DVB pour filtrer des signaux perturbateurs, tels que par exemple des signaux WiMAX (pour Worldwide Interoperability for Microwave Access), présents dans la bande de Io fréquences dite bande du dividende numérique. Le dividende numérique représente les ressources de fréquences qui seront libérées lors du passage de la diffusion de la télévision du mode analogique au mode numérique. La bande du dividende numérique est par exemple comprise entre 698 MHz et 862 MHz pour la région is Amériques. Ces bandes de fréquences libérées seront dédiées aussi bien à la diffusion de télévision numérique mobile qu'à des applications de télécommunications. Elles sont particulièrement convoitées par les opérateurs de télécommunications et les diffuseurs de chaîne, car d'une 20 efficacité supérieure vis-à-vis des fréquences supérieures à 1 GHz, en termes de couverture et de pénétration des bâtiments, et en termes de coût de création et d'exploitation des réseaux. Elles peuvent par exemple être utilisées pour la transmission de nouveaux signaux tels que les signaux WiMAX. Ces nouveaux signaux représentent alors une source de 25 perturbation pour la réception des signaux DVB. De plus, lorsque le récepteur DVB et l'émetteur WiMAX sont présents dans un même terminal (terminal multi-mode et multi-standard), les signaux WiMAX risquent de saturer le récepteur DVB. Il apparaît donc comme nécessaire de filtrer ces signaux 30 perturbateurs avant traitement des signaux DVB. Le filtrage de ces signaux perturbateurs peut être réalisé à l'aide d'un filtre réjecteur de bande ou stop-bande approprié. Un tel filtre est par exemple divulgué dans le document intitulé " Exact Synthesis of Microwave Filters with Nonuniform Dissipation", de C. Guyette et al., IEEE MS-2007. Ce filtre 10 est représenté à la figure 1. 11 comprend, entre une entrée de filtre 11 et une sortie de filtre 12 une première voie de transmission de signal 14 dite voie directe, à laquelle est couplée une seconde de transmission de signal 15, dite voie secondaire. Ces deux voies sont des lignes de transmission à microruban, également appelées lignes microstrip. La voie secondaire forme un élément résonant dont la fréquence de résonance correspond à la fréquence des signaux à rejeter. La voie directe et la voie secondaire sont couplées ensemble au niveau de l'entrée et de la sortie du filtre. La topologie du filtre est définie pour que, à la fréquence de résonance, le signal provenant de la voie directe 14 et celui provenant de la voie secondaire 15 se combinent en opposition de phase à la sortie du filtre, créant de ce fait une atténuation théoriquement infinie dans une bande relativement étroite autour de la fréquence de résonance. Ce principe d'atténuation infinie n'est vrai que si tous les éléments constituant le filtre, en particulier ceux constituant l'élément résonant, sont idéaux. Dans le cas contraire, les performances de réjection s'en trouvent très vite dégradées. Pour y remédier, un atténuateur 14 est introduit sur la voie directe, avec une valeur d'atténuation dépendant fortement du facteur de qualité de l'élément résonant. De ce fait, les signaux circulant à travers la voie directe et la voie secondaire se retrouvent en sortie du filtre en équi-amplitude et en opposition de phase, se combinant ainsi de manière destructive jusqu'à créer une atténuation quasi-infinie à la fréquence de résonance. Bien que ce filtre soit très sélectif, il présente toutefois des 25 pertes d'insertion qui dépendent de l'atténuation engendrée par l'atténuateur, cette atténuation dépendant elle-même du facteur de qualité de l'élément résonant. A titre d'exemple, il a été réalisé un prototype basé sur un substrat de très haut de gamme, le RT-5880 de ROGERS, présentant des 30 pertes diélectriques très faibles (tangente de pertes Tg8=0.0004). Malgré cela, comme on peut constater sur la figure 2, il faut introduire un atténuateur de plus de 6dB pour que le filtre soit hyper-sélectif. Ces 6dB, qui représentent les pertes d'insertion du filtre, sont très pénalisants pour un récepteur DVB car ils dégradent sa sensibilité.

3 Si on réalise le même filtre sur un substrat bas coût, tel que le FR4 classiquement utilisé pour la réalisation de circuits imprimés, les pertes sont encore plus élevées. Si on considère uniquement les pertes diélectriques du substrat FR4 (Tg8=0.02), la conductivité des lignes de transmission du filtre étant supposée infinie, les pertes d'insertion induites sont de plus de 15dB pour atteindre une atténuation relative de plus de 45dB à la fréquence de résonance. Si on considère en plus les pertes ohmiques dans les lignes de transmission en prenant une conductivité de 3.5E+7 S/m, les pertes d'insertion sont alors de plus de 24dB. io Un but de l'invention est donc de proposer un filtre stop-bande hyper-sélectif présentant de faibles pertes d'insertion, même lorsque les pertes diélectriques liées au substrat sont élevées. Un autre inconvénient du filtre de la figure 1 réside dans sa taille. En effet, lorsqu'on l'applique à des systèmes fonctionnant dans des is bandes de fréquence relativement basses telles que la bande UHF, bande dans laquelle est présente la bande du dividende numérique, les dimensions du filtre deviennent très vite intolérables compte tenu des conditions de phase exigées par ce filtre. A titre d'exemple, lorsque la fréquence de résonance est autour de 743MHz, la longueur totale de la ligne résonante est 20 de l'ordre de 10cm. Un autre but de l'invention est de proposer un filtre passe-bande de taille réduite.

Aussi, l'invention a pour objet un filtre réjecteur de bande 25 comprenant: - une entrée de filtre et une sortie de filtre, - une première voie de transmission de signal, dite voie directe, et une seconde voie de transmission de signal, dite voie secondaire, disposées entre ladite entrée de filtre et ladite sortie de filtre et couplées 30 entre elles à l'entrée de filtre et à la sortie de filtre, lesdites voie directe et voie secondaire comprenant chacune au moins une ligne de transmission, la voie secondaire comprenant un élément résonant dont la fréquence de résonance est égale à une fréquence à rejeter, dite fréquence de réjection, la voie directe et la voie secondaire étant réalisées pour introduire, à la fréquence de réjection, un déphasage de 180° entre le signal circulant à travers la voie directe et le signal circulant à travers la voie secondaire, caractérisé en ce que la voie secondaire comporte en outre au moins un circuit à résistance négative pour réduire, voire annuler, les pertes d'insertion du filtre. La présence de ce circuit à résistance négative dans la voie secondaire permet de compenser au moins partiellement aussi bien les Io pertes diélectriques liées au substrat que les pertes métalliques des lignes de transmission. Selon un mode de réalisation particulier, la fréquence de réjection est comprise dans la bande UHF et, de préférence, entre 700 MHZ et 900MHZ. 15 Selon un mode de réalisation particulier, la voie directe comprend un filtre passe-bas dont la fréquence de coupure est très supérieure à la fréquence de réjection du filtre. Ce filtre passe-bas est utilisé pour générer une partie du déphasage entre la voie directe et la voie secondaire. 20 Avantageusement, le filtre passe-bas est réalisé à partir de composants discrets (ou localisés) pour réduire la longueur de la ligne de transmission de la voie directe et réduire ainsi la taille du filtre. Selon un mode de réalisation particulier, l'élément résonant est réalisé au moins partiellement par des composants discrets pour réduire la 25 longueur de la ligne de transmission de la voie secondaire et ainsi réduire la taille du filtre réjecteur. Selon un mode de réalisation particulier, l'élément résonant comprend une capacité variable pour ajuster, selon les besoins, la fréquence de résonance de l'élément résonant. 30 Selon un mode de réalisation particulier, le filtre réjecteur est réalisé sur un substrat à bas coût, du type FR4.

L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement au cours de la 35 description explicative détaillée qui va suivre, en se référant ci-dessous aux dessins annexés, lesquels représentent: - la figure 1, déjà décrite, la structure d'un filtre réjecteur de l'art antérieur, - la figure 2, déjà décrite; un diagramme illustrant les performances en transmission du filtre de la figure 1, s - la figure 3, un schéma électrique d'un filtre réjecteur de bande conforme à l'invention, - les figures 4a et 4b, un schéma électrique d'un circuit à résistance négative du filtre réjecteur de bande de la figure 3, - la figure 5, un diagramme illustrant les performances en io transmission du filtre réjecteur de bande de la figure 3, - la figure 6, deux diagrammes représentant respectivement la réponse en amplitude et la réponse en phase du filtre passe-bas présent dans le filtre réjecteur de bande de la figure 3, et - la figure 7, un diagramme illustrant le facteur de bruit à l'entrée 15 du filtre de la figure 3.

L'invention concerne un filtre de type stop-bande (ou filtre réjecteur de bande) apte à supprimer une ou plusieurs fréquences dans la bande UHF. Dans la suite de la description, on décrira, à titre d'exemple, un 20 filtre stop-bande destiné à filtrer des signaux de type WiMAX dans la bande du dividende numérique. Ce filtre est intégré dans un récepteur de télévision numérique. En référence à la figure 3, le filtre réjecteur de bande, référencé 20, comprend une entrée de filtre 21 et une sortie de filtre 22. Une voie de 25 transmission de signal 23, appelée voie directe, et une voie de transmission de signal 24, appelée voie secondaire, sont disposées entre l'entrée de filtre 21 et la sortie de filtre 22. La voie directe 23 comprend des portions de ligne de transmission 230 et 231, un filtre passe-bas 232 et des portions de ligne de 30 transmission 233 et 234, l'ensemble de ces éléments étant montés en série entre l'entrée de filtre 21 et la sortie de filtre 22. Dans l'ensemble de la présente description, les lignes de transmission ou portions de ligne de transmission sont des lignes microruban (ou microstrip en langue anglaise). Le filtre passe-bas 232 peut être réalisé par des lignes de transmission et/ou 35 par des composants discrets.

Le filtre passe-bas 232 comprend deux inductances Lf1 et Lf2 montées en série entre l'entrée et la sortie du filtre, le point de connexion entre les deux inductances Lf1 et Lf2 étant connecté à la masse via une capacité Cf.

La voie secondaire 24 comprend deux portions de ligne de transmission 240 et 241, une inductance 242, une capacité 243, deux portions de ligne de transmission 244 et 245, un circuit à résistance négative 246, l'ensemble de ces éléments étant montés en série de manière à former un élément résonant dont la fréquence de résonance est égale à la io fréquence de réjection souhaitée. L'inductance 241 et la capacité 242 sont des composants discrets ou sont réalisées à partir de lignes de transmission. La voie directe 23 et la voie secondaire 24 sont couplées entre elles à l'entrée et à la sortie du filtre. Pour cela, la portion de ligne de transmission 230 est disposée parallèlement à la portion de ligne de is transmission 240 et à proximité de celle-ci, de manière à créer un couplage entre la voie directe 23 et la voie secondaire 24 à l'entrée du filtre. De même, la portion de ligne de transmission 234 est disposée parallèlement à la portion de ligne de transmission 245 et à proximité de celle-ci, de manière à créer un couplage entre la voie directe 23 et la voie secondaire 24 à la sortie 20 du filtre. Dans l'exemple de la figure 3, les portions de ligne de transmission 230, 240, 234 et 245 sont de dimensions identiques et l'écartement entre les portions 230 et 240 est égal à l'écartement entre les portions 234 et 245 pour que le couplage soit le même à l'entrée et à la sortie du filtre La valeur des éléments constituant la voie directe 23 et de la 25 voie secondaire 24 est déterminée de manière à introduire, à la fréquence de réjection, un déphasage de 180° entre le signal circulant à travers la voie directe 23 et le signal circulant à travers la voie secondaire 24. Le filtre passe-bas 232 a pour rôle d'introduire un déphasage dans la voie directe. Le déphasage introduit par ce filtre passe-bas et sa 30 fréquence de coupure dépendent de la valeur des éléments Lf1, Lf2 et Cf. La fréquence de coupure de ce filtre est déterminée de manière à être supérieure à la fréquence de réjection pour ne pas dégrader les performances du filtre réjecteur. Le filtre passe-bas 232 est de préférence réalisé par des 35 composants discrets pour réduire la longueur des lignes de transmission de

7 nécessaires à la réalisation de la voie directe 23 et réduire ainsi la taille du filtre réjecteur. De même, les éléments 242 et 243 de la voie secondaire sont également de préférence des éléments discrets pour réduire la longueur des lignes de transmission nécessaires à la réalisation de la voie secondaire et réduire ainsi la taille du filtre réjecteur. Le circuit à résistance négative 246 a pour fonction de compenser l'ensemble des pertes de l'élément résonant. Ces pertes peuvent avoir plusieurs origines: io - un faible facteur de qualité des éléments discrets 242 et 243, - les pertes diélectriques du substrat, surtout si le substrat est à bas coût, (substrat FR4), - les pertes résistives dans les lignes de transmission. Ce circuit à résistance négative permet également de is supprimer l'atténuateur qui est présent dans la voie directe du filtre de l'art antérieur illustré par la figure 1. Le circuit à résistance négative 246 est un composant actif bien connu de l'homme de l'art et dont le schéma est illustré à la figure 4a. Il comprend un transistor bipolaire Q1 dont la base est reliée à la ligne de 20 transmission 245, dont l'émetteur est relié à la masse et dont le collecteur est relié via un circuit de charge formé d'une inductance Lch, d'une capacité Cch et d'une résistance Rch montées en série à la masse. Le transistor Q1 est polarisé par des moyens connus en soi (non représentés). Ce schéma est équivalent à une résistance négative Rneg 25 montée en parallèle avec une capacité équivalente Ceq. Le schéma équivalent est montré à la figure 4b. La présence de la capacité Ceq dans le circuit à résistance négative 246 n'est pas sans influence sur la fréquence de résonance de la voie secondaire. Il faut donc en tenir compte dans le calcul des valeurs des 30 éléments de la voie secondaire. Selon un mode de réalisation avantageux, la capacité 243 est une capacité variable. La fréquence de réjection du filtre est alors modifiable dynamiquement pour s'adapter aux signaux WiMAX à rejeter, la fréquence de ces derniers pouvant varier selon la zone géographique d'utilisation du 35 récepteur.

8 Un exemple de réalisation d'un filtre réjecteur de bande conforme à l'invention est décrit en détail ci-après. Ce filtre est destiné à rejeter des signaux perturbateurs de type WiMAX autour de 800MHz dans la bande du dividende numérique. Les valeurs sont données à titre indicatif. Il comporte les éléments suivants: - substrat FR4 d'épaisseur 0.25mm - circuit à résistance négative 246 avec transistor INFINEON BFP640 et Lch=33nH, Cch=15pF, Rch=1352 - inductance 242 = 7.5nH io - capacité 243 =3pF - lignes de transmission 230, 240, 234, 245 : - impédance 50 S2 - longueur : 16 mm - largeur : 1,4 mm 15 - écartement : 0,15 mm - lignes de transmission 231 et 233 : - impédance 50 S2 - longueur : 7 mm - largeur : 1,4 mm 20 - lignes de transmission 241 et 244 : - impédance 50 S2 - longueur : 10 mm - largeur : 1,4 mm - filtre passe- bas 232: 25 - Lf1=Lf2=5.1 nH, - Cf=3.3pF

La figure 5 représente la réponse en fréquence du filtre réjecteur de bande ainsi défini. Cette figure montre que le niveau 30 d'atténuation est de plus de 40dB à la fréquence de résonance de 804MHz et que les pertes d'insertion sont très faibles dans la bande passante du filtre (inférieures à 1 dB). La figure 6 représente la réponse en amplitude et en phase du filtre passe-bas. La fréquence de coupure à 3 dB est autour de 1.58GHz, et 35 le déphasage introduit est de l'ordre de 55 degrés à la fréquence de

9 résonance du filtre réjecteur. La présence de ce filtre passe-bas permet de réduire la taille des lignes de transmission de la voie principale. Par ailleurs, il apparait que la présence d'un élément actif (transistor) dans le filtre ne dégrade pas les performances de celui-ci en termes de bruit. La Figure 7 montre le facteur de bruit en entrée simulé du filtre. On note que l'élément actif n'a qu'un très faible impact sur le facteur de bruit global du bruit qui est ici inférieur à 0.5dB à 700MHz.

Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec un mode de io réalisation particulier, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention. 25

Claims (5)

1. REVENDICATIONS1. Filtre réjecteur de bande (20) comprenant: - une entrée de filtre (21) et une sortie de filtre (22), - une première voie de transmission de signal, dite voie directe (23), et une seconde voie de transmission de signal, dite voie secondaire (24), disposées entre ladite entrée de filtre et ladite sortie de filtre et couplées entre elles à l'entrée de filtre et à la sortie de filtre, lesdites voie directe et voie secondaire comprenant chacune au moins une ligne de io transmission, la voie secondaire (24) comprenant un élément résonant dont la fréquence de résonance est égale à une fréquence à rejeter, dite fréquence de réjection, la voie directe (23) et la voie secondaire (24) étant prévues 15 pour introduire, à la fréquence de réjection, un déphasage de 180° entre le signal circulant à travers la voie directe et le signal circulant à travers la voie secondaire, caractérisé en ce que la voie secondaire comporte en outre au moins un circuit à résistance négative (246) pour réduire les pertes 20 d'insertion du filtre.
2. 2. Filtre réjecteur de bande selon la revendication 1, caractérisé en ce que la voie directe comprend un filtre passe-bas (232) dont la fréquence de coupure est supérieure à la fréquence de réjection du filtre.
3. 3. Filtre réjecteur de bande selon la revendication 2, caractérisé en ce que le filtre passe-bas est réalisé à partir de composants discrets.
4. 4. Filtre réjecteur de bande selon l'une quelconque des 30 revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la fréquence de réjection est comprise dans la bande UHF, de préférence, entre 700 MHZ et 900MHZ.
5. 5. Filtre réjecteur de bande selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément résonant 35 comporte des composants discrets. 5. Filtre réjecteur de bande selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément résonant comprend une capacité variable pour ajuster la fréquence de résonance de résonance. 7. Filtre réjecteur de bande selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est réalisé sur un substrat du type FR4. Io