Filtre hyperfréquence accordable, à résonateurs diélectriques en mode TM010

Abstract

 Le filtre comporte un boîtier métallique (7) associé à un socle métallique (6) formant un guide de section quelconque mais sous la coupure, c'est-à-dire qui ne permet pas la propagation guidée. Des résonateurs diélectriques cylindriques (1, 2, 3) sont en contact avec le socle de fixation métallique (6) et les résonateurs résonnent donc en mode TM010. Pour l'accord en fréquence du filtre, la distance entre le fond du boîtier (7) et les extrémités des résonateurs diélectriques portés par le socle est variable.
Application, notamment, aux filtres passe-bande accordables.

Description

[0001] L'invention se rapporte au domaine des filtres hyperfréquences accordables, et a plus particulièrement pour objet un filtre de ce type à résonateurs diélectriques, dans lequel les résonateurs résonnent suivant le mode TM010.

[0002] L'évolution des travaux récents dans le domaine des matériaux diélectriques a conduit à l'utilisation de tels matériaux pour la réalisation de résonateurs diélectriques, ayant une constante diélectrique suffisamment élevée, avec des coefficients de température acceptables. La plupart des filtres réalisés avec ces résonateurs diélectriques mettent en oeuvre des résonateurs de forme cylindrique plutôt que parallélipipédique ou sphérique qui présentent un meilleur coefficient de surtension, sont plus facilement usinables et ont un domaine d'utilisation vers les fréquences "basses" de la gamme hyperfréquence (inférieures à 10 GHz).

[0003] Cette technique a conduit à des améliorations notables des filtres hyperfréquences tant du point de vue de leurs dimensions que du point de vue de leurs performances et de leurs prix de revient. En effet, si l'on compare les filtres à résonateurs diélectriques aux différents types de filtres utilisés antérieurement à tige, à iris, ou en mode évanescent, on remarque que :

- le coefficient de surtension des filtres à résonateurs diélectriques est légèrement inférieur à celui des filtres à tige ou à iris et très largement supérieur à celui des filtres en mode évanescent

- les filtres à résonateurs diélectriques ont un encombrement et un poids plus faibles ;

- le coût des filtres à résonateurs diélectriques est sensiblement égal à celui des filtres en mode évanescent et très inférieur à ceux des filtres des deux autres types.

[0004] Les filtres hyperfréquences accordables à résonateurs diélectriques développés jusqu'à maintenant présentent cependant un certain nombre d'inconvénients : tout d'abord il existe dans ces filtres des modes parasites qui peuvent perturber leurs réponses en fréquence. De plus, il est difficile d'obtenir une largeur de bande variable dans de grandes proportions avec un filtre de gabarit donné. Enfin pour obtenir l'accorda- biIité du filtre dans une grande largeur de bande, des systèmes d'accord sont prévus pour faire varier la fréquence d'accord des résonateurs. Ces systèmes comportent généralement, associées aux résonateurs proprement dits, des tiges de diélectrique d'enfoncement réglable. Ces éléments permettent l'accord mais ils peuvent dégrader le coefficient de surtension obtenu lorsque le résonateur est seul. De plus ils posent des problèmes d'usinage et de réglage. Jusqu'à présent ces filtres utilisaient toujours des modes sélectionnés TEC 16 ou TM01δ qui présentent de bons coefficients de surtension à vide. Cependant, comme indiqué ci-dessus ces coefficients diminuent dans le système complet, avec ses moyens d'accord. Contrairement à l'idée généralement admise, ces modes ne sont pas les seuls à pouvoir être mis en oeuvre dans des résonateurs diélectriques pour réaliser des filtres de caractéristiques acceptables.

[0005] L'invention a en effet pour objet un filtre hyperfréquence accordable, à résonateurs diélectriques fonctionnant suivant le mode de résonance TM010.

[0006] Suivant l'invention, un filtre hyperfréquence accordable, à résonateurs diélectriques, comportant un boîtier métallique associé à un socle également métallique formant un guide d'ondes dit sous la coupure et une suite de résonateurs diélectriques cylindriques disposés à l'intérieur du boîtier, des moyens de couplage d'entrée et de sortie avec les résonateurs extrêmes, est caractérisé en ce que les résonateurs ont l'une de leurs extrémités en contact avec le socle métallique, leurs autres extrémités étant à une distance réglable d'un plan de masse formé par le fond du boîtier pour réaliser l'accord de fréquence, le champ électromagnétique étant ainsi localisé dans et à proximité des résonateurs diélectriques résonnant suivant le mode TM010.

[0007] L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description qui suit en référence aux figures annexées.

- La figure 1 est le schéma d'une coupe longitudinale d'un premier mode de réalisation du filtre hyperfréquence suivant l'invention.

- La figure 2 est le schéma d'une coupe transversale du filtre représenté sur la figure 1, au niveau d'un résonateur diélectrique.

- La figure 3 est le schéma en coupe longitudinale d'un second mode de réalisation du filtre hyperfréquence suivant l'invention.

- La figure 4 est une coupe transversale du filtre représenté sur la figure 3, au niveau d'un résonateur diélectrique.

- La figure 5 est le schéma d'une coupe transversale d'une variante de réalisation du filtre hyperfréquence représenté sur la figure 3.

[0008] Les sous-ensembles qui rentrent dans un matériel hyperfréquence déterminé se doivent d'être à faible prix de revient tout en conservant des performances élevées. Les résonateurs diélectriques en mode TM010, intégrés pour réaliser une fonction de filtrage, permettent d'obtenir un gain par rapport aux filtres en structure guidée évanescente, coaxiale (filtre en peigne ou filtre inter-digité), et par rapport aux filtres à résonateurs diélectriques dans les modes TE01 δ et TM01δ. Le coefficient de surtension à vide d'un résonateur diélectrique en mode TM010, varie de Q = 5000 à 2 GHz à Q = 2800 à 6 GHz ; ces valeurs sont suffisantes pour réaliser des filtres à bande large ou à bande étroite, ou des filtres sélectifs à fréquence d'accord variable, ayant des couplages aux accès du type coaxial-coaxial, guide-guide, ou guide-coaxial, à condition que les moyens d'accord qui y sont associés ne détériorent pas ces coefficients. Or des résonateurs diélectriques en mode TM010 peuvent être utilisés d'une manière très simple et associés à des moyens d'accord divers mais toujours simples qui n'introduisent pas de perturbation dans le mode de résonance. De plus, il n'y a pas besoin de supports pour les résonateurs diélectriques.

[0009] La figure 1 représente un premier mode de réalisation du filtre hyperfréquence suivant l'invention en coupe longitudinale, ce filtre ayant une fonction passe-bande. Ce filtre est constitué de trois résonateurs diélectriques couplés, 1, 2, 3, de forme cylindrique, le premier et le dernier de ces résonateurs étant couplés à des moyens respectivement d'entrée 4, et de sortie 5. Pour fonctionner suivant un mode de résonance TM010, ces résonateurs sont au contact d'un socle métallique 6 auquel ils sont fixés. Dans ce premier mode de réalisation, des trous sont prévus dans le socle, les résonateurs diélectriques étant prévus pour coulisser dans ces trous. Ces trous peuvent être chemisés par une faible épaisseur de diélectrique, par exemple du polytétrafluoréthylène (téflon, sous son . nom commercial) de 2 à 7/100^e mm d'épaisseur pour éviter la détérioration des états de surface lors du coulissement du résonateur.

[0010] Un couvercle 7 forme avec le socle de fixation 6 un boîtier constituant une enceinte métallique de blindage formant guide dont la section peut être quelconque, par exemple rectangulaire, circulaire ou réentrante. Pour réduire autant que possible les fuites hyperfréquences, la partie du résonateur extérieure au guide peut être enduite d'un revêtement du type colle ou peinture à l'argent. Le fond du boîtier est à une distance x relativement faible des extrémités des résonateurs 1, 2 et 3, cette distance étant réglable par enfoncement des résonateurs diélectriques 1, 2 et 3 à l'intérieur du guide. Les résonateurs peuvent être bloqués lorsque la fréquence d'accord est obtenue. Les dimensions du boîtier sont telles que le guide ainsi formé a une fréquence de coupure supérieure à la fréquence à laquelle le filtre est utilisé. Ainsi, dans les conditions d'utilisation, le guide, qui ne permet pas de propagation guidée, est dit "sous la coupure". La fonction de filtrage de ce filtre est obtenue par la localisation du champ électromagnétique dans et à proximité des résonateurs diélectriques dans le mode TM010. Le couplage entre résonateurs successifs, qui détermine la bande passante du filtre, est obtenu par un éloignement adéquat de deux résonateurs successifs dans le guide, et ce couplage peut être ajusté par des vis métalliques, telles que 8, pour le réglage de la susceptance de couplage entre résonateurs adjacents. L'entrée et la sortie dans le guide sont réalisées par des prises coaxiales, l'embout cylindrique extérieur étant fixé au socle de fixation, et le conducteur intérieur traversant ce socle de fixation pour former à l'intérieur du guide une boucle réglable couplée sur le champ magnétique de chaque résonateur extrême. L'accord de ce filtre à la fréquence minimum de la bande de réglage de fréquence d'accord a lieu lorsque les résonateurs sont en contact avec le fond du boîtier.

[0011] La figure 2 est une représentation en coupe transversale du filtre hyperfréquence représenté sur la figure 1 au niveau du résonateur diélectrique 1. Les lignes de champ ont été représentées sur cette figure. Comme indiqué ci-dessus, le champ électrique est localisé dans et à proximité des résonateurs diélectriques, les lignes de champ magnétiques, orthogonales aux lignes de champ électrique formant des cercles dont les centres sont sur l'axe du résonateur, à l'intérieur et à l'extérieur du résonateur.

[0012] La figure 3 représente un second mode de réalisation du filtre hyperfréquence suivant l'invention, ce filtre ayant également une fonction passe bande. Sur cette figure les mêmes éléments ont été désignés par les mêmes références. Dans ce mode de réalisation les résonateurs 1, 2, 3 ... sont posés sur le socle de fixation 6 auxquels ils sont fixés définitivement. Le boîtier couvercle 7 définit avec le socle de fixation 6 un boîtier formant un guide d'ondes sous la coupure, rectangulaire dans l'exemple présenté. Dans ce mode de réalisation, comme dans le précédent, les accès 4 et 5 se font par prises coaxiales, le couplage entre ces prises coaxiales et les résonateurs des extrémités étant réalisé par des antennes, respectivement 11 et 12. Comme dans le cas précédent, des vis métalliques de réglage telles que 8 permettent d'ajuster le couplage entre résonateurs adjacents. Le fond du boîtier 7 est muni de vis métalliques centrées sur les mêmes axes que les résonateurs diélectriques cylindriques, la pénétration de ces vis métalliques 13 dans le guide étant ajustable. Ainsi, la distance x entre l'extrémité des résonateurs et le plan de masse constitué par le fond du boîtier 7 et les vis métalliques telles que 13 est ajustable, ce qui permet de régler la fréquence d'accord du filtre.

[0013] La figure 4 représente une coupe transversale du filtre représenté sur la figure 3 suivant un plan contenant l'axe du résonateur diélectrique 3. Les lignes de champ électrique et les lignes de champ magnétique ont également été représentées sur cette figure.

[0014] Dans un troisième mode de réalisation, dont on a représenté une coupe transversale sur la figure 5, l'accord de la fréquence centrale du filtre n'est plus un accord mécanique comme l'est l'enfoncement variable des résonateurs diélectriques dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1 ou l'enfoncement variable des vis métalliques de réglage telles que 13 dans le mode de réalisation représenté sur la figure 3, mais est un accord électrique. La coupe longitudinale de ce mode de réalisation est voisine de celle représentée sur la figure 3 et le schéma en est le même sauf en ce qui concerne les vis métalliques prévues dans le plan de masse formé par le fond du boîtier 7 qui sont supprimées. Dans ce mode de réalisation, comme le montre la figure 5, des matériaux ferrites 14 et 15 sont disposés sur les parois latérales du guide, de part et d'autre des résonateurs diélectriques. Dans ce troisième mode de réalisation, l'accord du filtre est obtenu par application d'un champ magnétique continu au matériau ferrite par une bobine 16. Ainsi, la perméabilité du milieu ambiant est rendue variable.

[0015] Dans un mode de réalisation du filtre suivant l'invention, les résonateurs hyperfréquences sont constitués de titanate de zirconium Z_rT_iO₄ auquel on ajoute de l'étain S_n , afin d'améliorer le coefficient de température. Le guide est un guide de section carrée, de L = 38 mm de côté ; le diamètre des résonateurs diélectriques a été choisi égal à D = 9,9 mm ; la permittivité du matériau E. est égale à 36, et la fréquence la plus basse obtenue est de l'ordre de 2 GHz. Dans ce mode de réalisation, la première réponse parasite est rejetée autour de 3,4 à 3,7 GHz. Comme indiqué l'accord en fréquence est obtenu par variation de la longueur effective du résonateur à l'intérieur du guide et cette fréquence peut varier entre 2 et 2,5 GHz par exemple.

[0016] Cette structure permet de réaliser tous les types de filtres : les filtres passe bande, à bande B étroite, par exemple B = 10 MHz à 2 GHz de fréquence centrale, aussi bien que les filtres passe bande à bande large, par exemple B = 200 MHz à 2 GHz, la largeur de bande étant déterminée comme indiqué ci-dessus par les conditions de couplage entre résonateurs adjacents. Cette structure permet également de réaliser des filtres coupe-bande. Dans ce cas le couplage des résonateurs avec une ligne électrique prévue à l'intérieur du guide, longitudinalement, est réalisé par les extrémités des résonateurs.

[0017] De plus, les couplages d'entrée et de sortie peuvent s'effectuer par guide, les extrémités du guide formant l'enceinte du filtre étant ouvertes pour réaliser la connection. L'entrée et la sortie peuvent être couplées différemment, l'une par guide, l'autre par prise coaxiale.

[0018] La forme du guide peut être quelconque, guide en ligne, guide en U ou guide ayant la forme d'une couronne. La disposition en U permet par exemple de prévoir des rétro-couplages entre résonateurs non adjacents pour moduler la réponse du filtre. Il est également possible d'associer plusieurs filtres, par exemple en parallèle, couplés à un accès commun en guide pour réaliser un diplexeur ou un multiplexeur.

[0019] Enfin l'exemple de réalisation donné, ayant une fréquence centrale de l'ordre de 2 GHz n'est nullement limitatif et il est possible de réaliser des filtres ayant des fréquences centrales plus élevées, par exemple 7 GHz. Les limites sont fixées par la décroissance du facteur de qualité en fonction de l'augmentation de la fréquence.

[0020] Comme indiqué ci-dessus, l'avantage principal du filtre hyperfréquence suivant l'invention est la simplicité de sa structure. De plus, comme indiqué ci-dessus, du fait du mode lui-même, il n'y a pas de mode parasite proche dans la réponse du filtre.

Revendications

1. Filtre hyperfréquence accordable, à résonateurs diélectriques, comportant un boîtier métallique (7) associé à un socle (6) également métallique formant un guide d'ondes dit sous la coupure et une suite de résonateurs diélectriques cylindriques (1, 2, 3) disposés à l'intérieur du boîtier, des moyens de couplage d'entrée (4) et de sortie (5) avec les résonateurs extrêmes, caractérisé en ce que les résonateurs (1, 2, 3) ont l'une de leurs extrémités en contact avec le socle métallique (6), leurs autres extrémités étant à une distance réglable d'un plan de masse formé par le fond du boîtier pour réaliser l'accord de fréquence, le champ électromagnétique étant ainsi localisé dans et à proximité des résonateurs diélectriques résonnant suivant le mode TM010.

2. Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour l'obtention d'une fonction de filtrage passe bande, les extrémités des résonateurs diélectriques (1, 2, 3) en contact avec le socle sont déplaçables dans des trous de fixation prévus à cet effet dans le socle (6), et en ce que, pour le réglage de la fréquence d'accord du filtre, la longueur utile des résonateurs diélectriques dans le guide est ajustable entre une longueur de pénétration minimum et la longueur maximale où les extrémités correspondantes des résonateurs sont en contact avec le fond du boîtier (7).

3. Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour l'obtention d'une fonction de filtrage passe bande, les extrémités des résonateurs diélectriques (1, 2, 3) au contact du socle y sont fixées définitivement par leurs bases, en ce que le fond du boîtier (7) est muni de vis métalliques (13) centrées sur les mêmes axes que les résonateurs diélectriques, et en ce que pour le réglage de la fréquence d'accord du filtre, la pénétration des vis métalliques dans le guide est ajustable pour rapprocher ou éloigner les extrémités correspondantes des résonateurs du plan de masse constitué par le fond du boîtier et les vis.

4. Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que les extrémités des résonateurs diélectriques au contact du socle y sont fixées par leurs bases, en ce que les parois latérales du boîtier sont munies de matériau ferrite (14, 15), le filtre comportant en outre des moyens (16) d'application d'un champ magnétique continu au matériau ferrite, et en ce que pour le réglage de la fréquence d'accord du filtre, le champ magnétique appliqué au matériau ferrite est ajustable.

5. Filtre selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que les moyens de couplage avec les résonateurs extrêmes sont constitués de boucles de couplage à fils (9) de longueurs réglables.

6. Filtre selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que les moyens de couplage avec les résonateurs extrêmes sont des antennes (11) dont les positions dans le guide sont réglables par vis.

7. Filtre selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que la bande passante du filtre est déterminée par le couplage des résonateurs diélectriques adjacents, fonction de l'espacement entre ces résonateurs, des vis métalliques à pénétration réglable (8) étant disposées dans le guide entre deux résonateurs successifs pour l'ajustement du couplage entre résonateurs.

Dessins