WO2011154643A1 - Filtre a resonateur patch accordable - Google Patents

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WO2011154643A1
WO2011154643A1 PCT/FR2011/051253 FR2011051253W WO2011154643A1 WO 2011154643 A1 WO2011154643 A1 WO 2011154643A1 FR 2011051253 W FR2011051253 W FR 2011051253W WO 2011154643 A1 WO2011154643 A1 WO 2011154643A1
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slots
filter
resonator
triangle
varying
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Ariana Serrano
Philippe Ferrari
Fatima Correra
Tân-Phu VUONG
Original Assignee
Universite Joseph Fourier
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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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P7/00—Resonators of the waveguide type
    • H01P7/08—Strip line resonators
    • H01P7/082—Microstripline resonators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P7/00—Resonators of the waveguide type
    • H01P7/08—Strip line resonators
    • H01P7/088—Tunable resonators

Definitions

  • the present invention relates to a tunable patch resonator filter.
  • a patch resonator of the type described in the aforementioned article comprises, on the underside side of a dielectric substrate 1, a metal plane 2, commonly a ground plane, and on the side the upper face, a printed metallization or patch 4, of circular shape.
  • the printed metallization or patch is connected, in the case of a filter, between an input microstrip 6 and an output microstrip 7, shown very schematically.
  • the patch may be provided with slots 11 to 14 extending substantially radially to the periphery of the patch. These slots have the same or different lengths. The bandwidth and center frequency of the resonator are modified according to the characteristics of the slots.
  • This article also proposes to have the conden ⁇ sados 21 to 24 across the slots, for example substantially in the middle position. And this article mentions that, if the capacitors 21 to 24 are implemented by varactances, it is possible to obtain a remotely controllable frequency and bandwidth device, by adjusting the polarization voltage of the varactances, which makes it possible to realize a remotely controllable filter.
  • An object of an embodiment of the present invention is to provide a patch resonator filter which is adjustable in a predetermined and predictable manner.
  • a more particular object of the present invention is to provide such a filter in which one can adjust in a chosen way or the bandwidth, or the central band a filter, and in which it is possible to operate these two settings independently of one another.
  • an embodiment of the present invention provides a triangular triangle pattern resonator, two symmetrical sides of the triangle with respect to an axis being respectively associated with an input coupler and a output coupler, comprising star-shaped slots with three branches, a first slot extending along said axis, on either side of the center of the triangle, the two other slots extending symmetrically from the base of the first slot, none of the branches opening, an adjustable capacitor being connected across each of the slots.
  • the triangle is an equilateral triangle.
  • each adjustable capacitor comprises a varactance.
  • a method of adjusting a filter comprising a resonator as above comprises, for adjusting the high cutoff frequency of the resonator, the step of varying the capacitance of the resonator. capacitor disposed on the first slot.
  • a method of adjusting a filter comprising a resonator as above comprises, to vary the low cutoff frequency, the step of varying the capacity of the capacitors associated with said two other slots.
  • a method of adjusting a filter comprising a resonator as above comprises, for varying the bandwidth, the step of varying the capacitances of the all capacitors, the sum of the first condensed capacity ⁇ tor and one of the other two capacitors being kept constant.
  • a method of adjusting a filter comprising a resonator as above comprises, to move the bandwidth, the step of varying the capabilities of all the capacitors, the difference in capacitance of the first capacitor and one of the other two capacitors being kept constant.
  • Figures 1A and 1B are a top view and a sectional view along the plane B-B of Figure 1A of a circular patch resonator;
  • Figures 2A and 2B are a top view and a detail view of a triangular patch resonator.
  • FIGS. 3 to 7 represent curves that are useful for explaining the operation of the tunable triangular patch resonator of FIG. 2A.
  • FIG. 2A is a top view of a metal pattern or triangular patch resonator associated with an input coupler 31 and an output coupler 32.
  • the input and output couplers are represented in form microstrip arranged parallel to two sides of the triangular resonator. Note however that any system of neck ⁇ range of RF input and output signals can be used.
  • An axis 35 of the orthogonal triangular resonator is defined at the side not associated with an input or output coupler, which will be referred to as the base side 36.
  • the triangle is symmetrical with respect to the axis 35, and is preferably equilateral.
  • the slot 41 extends on either side of the center of the triangle and does not open out of the metallization constituting the resonator
  • At the lower side of the slot 41 there are two lateral slots 42 and 43 which are symmetrical with respect to the axis 35.
  • These slots may be, as shown, rectilinear and orthogonal to the slot 41. may also have any other shape, for example being in an arc, their ends being directed towards the base 36, or rectilinear but inclined with their ends pointing towards the base 36.
  • the effect of these slots is to reduce the resonance frequency of the two fundamental modes of resonance of the triangular resonator.
  • adjustable capacitors 51, 52, 53 are disposed across slots 41, 42 and 43 in a middle portion of each of the slots. These capacitors are for example arranged between the first and the second third of the length of each of the slots.
  • the capacitor 51 has a value Cl.
  • Capacitors 52 and 53 preferably have the same value C2 and are arranged symmetrically.
  • Fig. 2B is an enlarged view of a portion of the slot 41 and shows a possible embodiment of an adjustable voltage-controlled capacitor 51.
  • the variable capacitor itself is realized by a varactance 61.
  • the varactance is in series with a capacitor 62, for example consisting of a diode in reverse with respect to the diode 61.
  • connection point of the varactor 61 and the capacitor 62 is connected to an adjustable DC voltage source VI through a resistor 63.
  • the metal pattern 30 is connected to the mass by a resistor 65 to provide a bias reference. Resistors 63 and 65 have high values to prevent RF signal loss.
  • GaAs varactances are known whose capacitance can vary significantly for a bias voltage varying between 0 and 20 volts.
  • FIGS. 3 to 7 illustrate various characteristics of the filter, simulated and verified, in the case of a triangular patch resonator filter having the following characteristics:
  • FIG. 3 shows transmission curves T in dB of the filter for a constant value of capacitors C2 (0.22 pF) and variable values of capacitance C1 of 0.29 to 0.22 pF, that is, say for a polarization voltage C2 capacitance of 20 volts and for bias voltages of capacitance Cl varying from 8 to 20 volts.
  • the various curves 71 to 75 are such that the low cut-off frequency (approximately 3.1 GHz) does not substantially vary while the high cut-off frequency varies substantially from 3.6 to 3.8 GHz.
  • the capacitance Cl decreases, the filter bandwidth increases without the low cutoff frequency varying.
  • FIG. 4 shows transmission curves 81 to 85 for a constant value (0.29 pF) of capacitance C1 and variable values, from 0.22 to 0.37 pF, of capacitors C2.
  • the two capacitors 52 and 53 of the same capacitance C2 are varied together.
  • the high cut-off frequency does not vary significantly. not yet and remains at a value close to 3.7 GHz while the low cutoff frequency varies from 3.1 to substantially 2.9 GHz.
  • the bandwidth of the filter increases without the high cutoff frequency varying.
  • the transmission curve of a filter can thus be modified in a determinable manner.
  • FIG. 7 shows the central frequency on the abscissa of the triangular pattern resonator as a function of the average value (C1 + C2) / 2 of the aforementioned C1 and C2 capacities. It can be seen that this characteristic is substantially linear, that is, the results are predictable, as illustrated in Figure 5.
  • a patch filter whose characteristics of central frequency variability and bandwidth are determinable. It is thus possible to remotely control the transmission curve of a filter by acting on the bias voltages of adjustable capacitors, or by remotely controlling other adjustable capacitors, which can be useful for a filter installed in an inaccessible place, for example a satellite.

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Abstract

L'invention concerne un résonateur patch triangulaire à motif de triangle (30), deux côtés du triangle symétriques par rapport à un axe étant respectivement associés à un coupleur d'entrée et à un coupleur de sortie, comprenant des fentes en étoile à trois branches, une première fente (41) s'étendant selon ledit axe, de part et d'autre du centre du triangle, les deux autres fentes (42, 43) s'étendant symétriquement à partir de la base de la première fente, aucune des branches ne débouchant, un condensateur ajustable (51-53) étant connecté en travers de chacune des fentes.

Description

FILTRE A RESONATEUR PATCH ACCORDABLE
Domaine de 1 ' invention
La présente invention concerne un filtre à résonateur patch accordable.
Etat de la technique
Parmi les dispositifs utilisables comme filtres et notamment comme filtres passe-bande, dans le domaine des radio- fréquences, d'une centaine de MHz à 10 GHz ou plus, il a été proposé, notamment dans un article de Ariana L. C. Serrano et al "A Tunable Bandpass Patch Filter", paru dans IEEE Proceedings International Workshop on Microwave Filters, novembre 2009, d'utiliser un filtre à résonateur patch circulaire à fentes du type illustré en vue de dessus en figure 1A et en vue en coupe en figure 1B.
Comme l'illustrent les figures 1A et 1B, un résonateur patch du type décrit dans l'article susmentionné comprend, du côté de la face inférieure d'un substrat diélectrique 1, un plan métallique 2, couramment un plan de masse, et du côté de la face supérieure, une métallisation imprimée ou patch 4, de forme circulaire. Dans cet exemple, la métallisation imprimée ou patch, est connectée, dans le cas d'un filtre, entre un microruban d'entrée 6 et un microruban de sortie 7, représentés très schématiquement . Cet article indique que l'on peut munir le patch de fentes 11 à 14 s 'étendant sensiblement radialement jusqu'à la périphérie du patch. Ces fentes ont des longueurs identiques ou différentes. La largeur de bande et la fréquence centrale du résonateur sont modifiées selon les caractéristiques des fentes.
Cet article propose également de disposer des conden¬ sateurs 21 à 24 en travers des fentes, par exemple sensiblement en position médiane. Et cet article mentionne que, si les condensateurs 21 à 24 sont mis en oeuvre par des varactances, on peut obtenir un dispositif à fréquence et bande passante réglable de façon télécommandable, en ajustant la tension de polarisation des varactances, ce qui permet de réaliser un filtre télécommandable.
Toutefois, des essais effectués ultérieurement par les présents inventeurs ont montré que ce type de résonateur patch circulaire à fentes radiales et à condensateurs ajustables, s'il présente bien les avantages de possibilité de réglage à distance annoncés dans l'article susmentionné, présente l'inconvénient qu'il est très difficile d'ajuster les valeurs des diverses capacités pour obtenir un réglage souhaité et une bande passante de filtre se déplaçant et s ' élargissant de façon prédéterminée. Plus particulièrement, dans le cas d'un résonateur patch circulaire à fentes radiales et à condensateurs ajustables, il n'est pas possible de modifier la fréquence centrale du filtre sans modifier sa largeur de bande. Ceci est lié au fait que dans un tel filtre chaque varactance affecte simultanément plus d'un mode de résonance.
Résumé
Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un filtre à résonateur patch qui soit ajustable d'une façon déterminée et prédéterminable .
Un objet plus particulier de la présente invention est de prévoir un tel filtre dans lequel on puisse régler de façon choisie ou bien la largeur de bande, ou bien la bande centrale d'un filtre, et dans lequel il soit possible d'opérer ces deux réglages indépendamment l'un de l'autre.
Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, un mode de réalisation de la présente invention prévoit un résonateur patch triangulaire à motif de triangle, deux côtés du triangle symétriques par rapport à un axe étant respectivement associés à un coupleur d'entrée et à un coupleur de sortie, comprenant des fentes en étoile à trois branches, une première fente s 'étendant selon ledit axe, de part et d'autre du centre du triangle, les deux autres fentes s 'étendant symétriquement à partir de la base de la première fente, aucune des branches ne débouchant, un condensateur ajustable étant connecté en travers de chacune des fentes .
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le triangle est un triangle équilatéral.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, chaque condensateur ajustable comprend une varactance.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, un procédé d'ajustement d'un filtre comportant un résonateur tel que ci-dessus, comprend, pour régler la fréquence de coupure haute du résonateur, l'étape consistant à faire varier la capacité du condensateur disposé sur la première fente.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, un procédé d'ajustement d'un filtre comportant un résonateur tel que ci-dessus, comprend, pour faire varier la fréquence de coupure basse, l'étape consistant à faire varier la capacité des condensateurs associés auxdites deux autres fentes.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, un procédé d'ajustement d'un filtre comportant un résonateur tel que ci-dessus, comprend, pour faire varier la largeur de bande, l'étape consistant à faire varier les capacités de l'ensemble des condensateurs, la somme des capacités du premier condensa¬ teur et de l'un des deux autres condensateurs étant maintenue constante . Selon un mode de réalisation de la présente invention, un procédé d'ajustement d'un filtre comportant un résonateur tel que ci-dessus, comprend, pour déplacer la bande passante, l'étape consistant à faire varier les capacités de l'ensemble des condensateurs, la différence des capacités du premier condensateur et de l'un des deux autres condensateurs étant maintenue constante.
Brève description des dessins
Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
les figures 1A et 1B sont une vue de dessus et une vue en coupe selon le plan B-B de la figure 1A d'un résonateur patch circulaire ;
les figures 2A et 2B sont une vue de dessus et une vue de détail d'un résonateur patch triangulaire ; et
les figures 3 à 7 représentent des courbes utiles à l'exposé du fonctionnement du résonateur patch triangulaire accordable de la figure 2A.
Description détaillée
La figure 2A est une vue de dessus d'un résonateur à motif métallique ou patch triangulaire associé à un coupleur d'entrée 31 et à un coupleur de sortie 32. Dans cet exemple, les coupleurs d'entrée et de sortie sont représentés sous forme de microrubans disposés parallèlement à deux côtés du résonateur triangulaire. On notera toutefois que tout autre système de cou¬ plage de signaux RF d'entrée et de sortie pourra être utilisé.
On définit un axe 35 du résonateur triangulaire ortho- gonal au côté non associé à un coupleur d'entrée ou de sortie, qu'on appellera côté de base 36. Le triangle est symétrique par rapport à l'axe 35, et est de préférence équilatéral.
Selon l'axe 35, s'étend d'une fente 41. La fente 41 s'étend de part et d'autre du centre du triangle et ne débouche pas en dehors de la métallisation constituant le résonateur triangulaire 30. Du côté inférieur de la fente 41, s'étendent deux fentes latérales 42 et 43 symétriques par rapport à l'axe 35. Ces fentes peuvent être, comme cela est représenté, rectili- gnes et orthogonales à la fente 41. Elles peuvent également avoir toute autre forme, par exemple être en arc de cercle, leurs extrémités étant dirigées vers la base 36, ou rectilignes mais inclinées avec leurs extrémités pointant vers la base 36. L'effet de ces fentes est de réduire la fréquence de résonance des deux modes de résonance fondamentaux du résonateur triangu- laire.
En outre, des condensateurs ajustables 51, 52, 53 sont disposés en travers des fentes 41, 42 et 43 dans une partie médiane de chacune des fentes . Ces condensateurs sont par exemple disposés entre le premier et le deuxième tiers de la longueur de chacune des fentes. Le condensateur 51 a une valeur Cl . Les condensateurs 52 et 53 ont de préférence une même valeur C2 et sont disposés symétriquement.
La figure 2B est une vue agrandie d'une partie de la fente 41 et représente un mode de réalisation possible d'un condensateur ajustable à commande en tension 51. Il sera clair pour l'homme de l'art que d'autres modes de réalisation d'un condensateur ajustable sont envisageables. Le condensateur variable proprement dit est réalisé par une varactance 61. Pour éviter un court-circuit pour le courant continu, la varactance est en série avec un condensateur 62, par exemple constitué d'une diode en inverse par rapport à la diode 61. Le point de raccordement de la varactance 61 et du condensateur 62 est connecté à une source de tension continue réglable VI par l'intermédiaire d'une résistance 63. De plus, comme l'illustre la figure 2A, le motif métallique 30 est connecté à la masse par une résistance 65 pour fournir une référence de polarisation. Les résistances 63 et 65 ont des valeurs élevées pour éviter la déperdition de signal RF. A titre d'exemple, on connaît des varactances en GaAs dont la capacité peut varier de façon notable pour une tension de polarisation variant entre 0 et 20 volts.
On va montrer que, contrairement au cas de l'utilisa- tion d'un résonateur circulaire, l'utilisation d'un résonateur triangulaire permet d'obtenir des réglages facilement prévisi¬ bles de la fréquence centrale et de la largeur de bande du réso¬ nateur, et donc du filtre constitué par l'assemblage de ce résonateur avec un coupleur d'entrée et un coupleur de sortie.
Les figures 3 à 7 illustrent diverses caractéristiques du filtre, simulées et vérifiées, dans le cas d'un filtre à résonateur patch triangulaire ayant les caractéristiques suivantes :
- substrat de permittivité ε = 10,2, et d'épaisseur = 0,635 nm, - triangle équilatéral de 12 mm de côté,
- longueur de la fente 41 : 5,2 mm,
- longueur des fentes latérales 42, 43 : 4,5 mm,
- largeur des fentes : 0,5 mm.
La figure 3 représente des courbes de transmission T en dB du filtre pour une valeur constante des capacités C2 (0,22 pF) et des valeurs variables de la capacité Cl de 0,29 à 0,22 pF, c'est-à-dire pour une tension de polarisation des capacités C2 de 20 volts et pour des tensions de polarisation de la capacité Cl variant de 8 à 20 volts. On constate que les diverses courbes 71 à 75 sont telles que la fréquence de coupure basse (environ 3, 1 GHz) ne varie sensiblement pas tandis que la fréquence de coupure haute varie sensiblement de 3,6 à 3,8 GHz. Ainsi, quand la capacité Cl diminue, la bande passante du filtre augmente sans que la fréquence de coupure basse varie.
La figure 4 représente des courbes de transmission 81 à 85 pour une valeur constante (0,29 pF) de la capacité Cl et des valeurs variables, de 0,22 à 0,37 pF, des capacités C2. Ici, et dans ce qui suit, on considère que l'on fait varier ensemble les deux condensateurs 52 et 53 de même capacité C2. Dans ce cas, on constate que la fréquence de coupure haute ne varie sen- siblement pas et reste à une valeur voisine de 3,7 GHz alors que la fréquence de coupure basse varie de 3,1 à sensiblement 2,9 GHz. Ainsi, quand les capacités C2 augmentent, la bande passante du filtre augmente sans que la fréquence de coupure haute varie .
En combinant les variations de la capacité Cl et des deux capacités C2, on peut donc modifier de façon déterminable la courbe de transmission d'un filtre.
Comme l'illustre la figure 5, en faisant varier simul- tanément les capacités Cl et C2 tout en gardant constante la somme Cl + C2, on peut conserver une même fréquence centrale de transmission et élargir plus ou moins la bande passante, de façon déterminée .
Dans le cas de la figure 6, on fait varier simultané- ment les valeurs des capacités Cl et C2 en gardant la différence Cl - C2 sensiblement constante. On obtient alors une largeur de bande constante tandis que la fréquence centrale du filtre se déplace. On notera que, en figure 6, au lieu d'indiquer des variations de capacité, on a indiqué des variations de tension de polarisation, ce qui est équivalent.
Par ailleurs, la figure 7 représente la fréquence centrale en abscisses du résonateur à motif triangulaire en fonction de la valeur moyenne (Cl + C2)/2 des capacités Cl et C2 susmentionnées. On voit que cette caractéristique est sensible- ment linéaire, c'est-à-dire que les résultats sont bien prévisibles, comme l'illustre la figure 5.
Ainsi, il est proposé ici un mode de réalisation d'un filtre patch dont les caractéristiques de variabilité de fréquence centrale et de largeur de bande sont déterminables . Il est ainsi possible de télécommander la courbe de transmission d'un filtre en agissant sur les tensions de polarisation de condensateurs réglables, ou en télécommandant de toute autre manière des condensateurs réglables, ce qui peut être utile pour un filtre installé dans un endroit inaccessible, par exemple un satellite.

Claims

REVENDICATIONS
1. Résonateur patch triangulaire à motif de triangle (30) , deux côtés du triangle symétriques par rapport à un axe étant respectivement associés à un coupleur d'entrée et à un coupleur de sortie, comprenant des fentes en étoile à trois branches, une première fente (41) s 'étendant selon ledit axe, de part et d'autre du centre du triangle, les deux autres fentes (42, 43) s 'étendant symétriquement à partir de la base de la première fente, aucune des branches ne débouchant, un condensa¬ teur ajustable (51-53) étant connecté en travers de chacune des fentes.
2. Résonateur selon la revendication 1, dans lequel ledit triangle est un triangle équilatéral.
3. Résonateur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel chaque condensateur ajustable comprend une varactance.
4. Procédé d'ajustement d'un filtre comportant un résonateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant, pour régler la fréquence de coupure haute du résona¬ teur, l'étape consistant à faire varier la capacité (Cl) du condensateur disposé sur la première fente.
5. Procédé d'ajustement d'un filtre comportant un résonateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant, pour faire varier la fréquence de coupure basse, l'étape consistant à faire varier la capacité (C2) des condensa¬ teurs associés auxdites deux autres fentes.
6. Procédé d'ajustement d'un filtre comportant un résonateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant, pour faire varier la largeur de bande, l'étape consistant à faire varier les capacités (Cl, C2) de l'ensemble des condensateurs, la somme (C1+C2) des capacités du premier condensateur et de l'un des deux autres condensateurs étant maintenue constante.
7. Procédé d'ajustement d'un filtre comportant un résonateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant, pour déplacer la bande passante, l'étape consistant à faire varier les capacités (Cl, C2) de l'ensemble des conden¬ sateurs, la différence (C1-C2) des capacités du premier condensateur et de l'un des deux autres condensateurs étant maintenue constante.
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