Filtre coupe-bande hyperfréquence en technologie micro-bande

Abstract

 Ce filtre coupe-bande hyperfréquence en technologie microbande est du type à lignes couplées, c'est à dire comportant une ligne de transmission sous forme de microruban (1) associée à au moins une cellule de filtrage comprenant un segment de microruban (4) disposé parallèlement à la ligne de transmission et à distance de celle-ci, ce segment de microruban ayant l'une de ses extrémités en circuit ouvert et l'autre reliée au potentiel de la masse.
La liaison au potentiel de la masse est réalisée pour chaque cellule avec interposition d'un circuit résonnant LC (5,6) accordable. Avantageusement, l'élément capacitif du circuit résonnant LC accordable comprend un varactor (6) dont l'anode est portée à un potentiel continu (-V) ajustable, de sorte que la commande de ce potentiel continu permette la variation de la fréquence centrale de réjection du filtre coupe-bande, et l'élément inductif du circuit résonnant LC accordable est réalisé sous forme d'un fil de liaison (5) du segment de microruban (4) au varactor (6), celui étant disposé sur le même substrat diélectrique (7) que ce segment de microruban.

Description

[0001] La présente invention concerne un filtre coupe-bande hyperfréquence en technologie micro-bande.

[0002] Les filtres coupe-bande hyperfréquences accordables sont en particulier utilisés dans les récepteurs hyperfréquences à très large bande instantanée ayant généralement de nombreux signaux à traiter simultanément, typiquement les récepteurs de signaux radar.
Du fait de la très large bande instantanée, les signaux sont très souvent perturbés par la présence de signaux forts parasites qui saturent les chaînes de réception. La fonction d'un filtre coupe-bande est ainsi d'atténuer les signaux perturbants pour pouvoir analyser et identifier les signaux de plus faibles amplitudes.
Ces signaux perturbants n'ayant généralement ni une fréquence connue à l'avance ni une fréquence stable, il est nécessaire de prévoir un filtre coupe-bande qui soit accordable.

[0003] Jusqu'à présent, on utilisait à cet effet un filtre à YIG (Yttrium-Iron Garnet : grenat d'yttrium-fer) polarisé de manière appropriée pour l'accorder sur la fréquence à éliminer.
Cette technique, malgré ses performances intéressantes (taux de réjection élevé, faible largeur de bande atténuée), a l'inconvénient d'accroître les dimensions et la masse du circuit de façon importante, de présenter un temps de transition ("temps de ralliement") relativement long, de l'ordre de 10 à 20 ms, et de nécessiter un circuit de commande complexe.

[0004] L'un des buts de la présente invention est de proposer un filtre coupe-bande hyperfréquence accordable qui présente des propriétés électriques comparables aux filtres à YIG, mais qui élimine les inconvénients précités.

[0005] Plus précisément, comme on le verra par la suite, l'invention permet de cumuler les avantages suivants :
- faibles pertes d'insertion hors bande réjectée,
- fonctionnement en large bande, compatible avec les perfor­mances des chaînes de réception actuelles (typiquement, largeur de bande de 2 à 18 GHz),
- plage d'accord en fréquence importante,
- réjection élevée à la fréquence d'accord,
- système d'accord sans consommation électrique,
- temps de ralliement très faible,
- dimensions très réduites, permettant une intégration aisée en micro-électronique.

[0006] A cet effet, la présente invention utilise la structure de base dite à lignes couplées, c'est à dire comportant une ligne de transmission sous forme de microruban associée à au moins une cellule de filtrage comprenant un segment de microruban disposé parallèlement à la ligne de transmission et à distance de celle-ci, ce segment de microruban ayant l'une de ses extrémités en circuit ouvert et l'autre reliée au potentiel de la masse.

[0007] De façon caractéristique de la présente invention, la liaison au potentiel de la masse est réalisée pour chaque cellule avec interposition d'un circuit résonnant LC accordable.

[0008] Très avantageusement, l'élément capacitif du circuit résonnant LC accordable comprend un varactor dont l'anode est portée à un potentiel continu ajustable, de sorte que la commande de ce potentiel continu permette la variation de la fréquence centrale de réjection du filtre coupe-bande.

[0009] Selon d'autres caractéristiques préférentielles de la présente invention :
- l'élément inductif du circuit résonnant LC accordable est réalisé sous forme d'un fil de liaison du segment de microruban au varactor, celui étant disposé sur le même substrat diélectrique que ce segment de microruban ;
- le potentiel continu est appliqué à l'anode du varactor avec interposition d'un filtre passe-bas ;
- le rapport des fréquences de réjection extrêmes possibles est au moins égal à 1,5 ;
- le filtre comprend en outre des moyens de commutation pour mettre sélectivement en circuit ouvert ladite autre extré­mité de chaque segment de microruban au lieu de la relier au potentiel de la masse ;

[0010] Dans le dernier cas indiqué, on peut très avantageusement réaliser un filtre complexe comprenant une pluralité de tels filtres montés en cascade, les moyens de commutation de chaque filtre étant commandés sélectivement de manière à ne commuter que le(s) filtre(s) élémentaire(s) dont la plage de variation de la fréquence de réjection contient la (les) fréquence(s) à éliminer.

[0011] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-dessous, faite en référence aux figures annexées sur lesquelles :

- la figure 1 montre la structure de base d'un filtre coupe-bande à lignes couplées de l'art antérieur, dont la fréquence d'accord, fixée par construction, n'est pas ajustable,

- la figure 2 est un diagramme atténuation/fréquence correspondant au filtre de la figure 1,

- la figure 3 est homologue de la figure 1, pour le filtre accordable selon la présente invention,

- la figure 4 est homologue de la figure 2, pour le filtre accordable selon la présente invention, les courbes d'atténuation ayant été représentées pour les deux fréquences extrêmes d'accord de ce filtre,

- la figure 5 représente, en perspective, une réalisation du filtre de la présente invention montrant la manière dont on peut l'intégrer avec les techniques de la micro-électronique,

- la figure 6 est la courbe de réponse en fonction de la fréquence, mesurée pour un exemple pratique de filtre réalisé selon les enseignements de la présente invention,

- la figure 7 est une vue agrandie de la bande de fréquences centrale de la figure 6, montrant les courbes de réponse obtenues pour diverses valeurs d'accord s'étendant à l'intérieur de la plage de réglage du filtre.

[0012] Sur la figure 1, on a représenté la structure, en elle-même connue, d'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 d'un microruban reliant un générateur 2 de signaux hyperfréquences à une impédance de charge 3, et il est prévu au moins une cellule de filtrage (cinq, dans l'exemple illustré) formée d'un segment de microruban 4 disposé parallèlement à la ligne de transmission, et ayant une longueur électrique correspondant sensiblement à un quart de la longueur d'onde à la fréquence centrale de réjection que l'on veut donner au filtre. Chacun des segments 4 a l'une de ses extrêmités en circuit ouvert et l'autre reliée directement au potentiel de la masse.
L'atténuation procurée par un tel filtre est illustrée sur la figure 2, la fréquence centrale FO étant déterminée par la longueur de chaque segment 4 et la largeur de bande réjectée dépendant du nombre de cellules et de l'impédance de ligne couplée de chacune d'entre elles.

[0013] Selon l'invention, on remplace, comme illustré figure 3, la liaison directe à la masse de l'une des extrémités de chaque segment par un circuit LC résonnant formé d'une inductance 5 en série avec une capacité ajustable 6, ce circuit constituant donc une charge pour la ligne couplée.
Très avantageusement, 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 (les potentiels -V1, -V2, ... respectifs appliqués aux varactors des différentes cellules ne sont en fait pas tout à fait identiques, le calcul théorique montrant que, même en présence de composants présentant une dispersion nulle, il est nécessaire de calibrer préalablement les potentiels -V1, -V2, ... à des valeurs différentes (de quelques pourcents seulement, toutefois) pour accorder toutes les cellules sur la même fréquence centrale. La capacité du varactor étant fonction du potentiel continu appliqué à ses bornes, la fréquence d'accord du circuit résonnant LC variera avec la tension de commande du varactor. Le fonctionnement du filtre se trouvera alors modifié et son accord en fréquence dépendra essentiellement de la tension continue appliquée au varactor (bien entendu, pour un filtre à plusieurs cellules, on fait varier simultanément et de la même manière tous les potentiels -V1, -V2, ... pour conserver l'accord correct du filtre).
L'atténuation procurée par un tel filtre est illustrée sur la figure 4, où l'on voit que la courbe d'atténuation est similaire à celle de la figure 2, mais que sa fréquence centrale peut se déplacer entre une valeur FOmin et une valeur FOmax en fonction du potentiel appliqué à la cathode du varactor, la fréquence minimale étant obtenue pour la capacité maximale du varactor, correspondant elle-même au potentiel de commande le plus faible.
En outre, si l'on se souvient que la fréquence d'accord d'un circuit LC dont l'élément capacitif est un varactor varie de façon sensiblement logarithmique avec la tension appliquée, on conçoit que les circuits de commande de la fréquence d'accord du filtre deviendront particulièrement simples, notamment par rapport aux circuits d'accord utilisés actuellement pour les filtres accordables à YIG.
Par ailleurs, bien que l'on ait représenté un filtre à cinq cellules dont tous les circuits LC sont semblables, ce nombre de cinq cellules n'est en aucune façon limitatif, et dépend essentiellement de la sélectivité que l'on souhaite pour le filtre (en augmentant le nombre de cellules, on restreint la largeur de la bande réjectée), de la place dont on dispose sur le substrat pour intégrer les cellules, etc.

[0014] On a décrit figure 5 un exemple d'implantation des composants, qui montre la manière dont on peut sans difficulté réaliser le filtre de la présente invention avec les techniques d'intégration connues en micro-électronique.
Le filtre est par exemple réalisé sur un substrat diélectrique 7 d'alumine (permittivité relative de 9,8) de faible épaisseur, dont la face inférieure 8 est métallisée de manière à constituer à la fois le plan de masse et le support mécanique du circuit.
La ligne de transmission 1 est une ligne de transmission classique, d'impédance voisine de 50 Ω, comportant un microruban s'étendant entre un point d'entrée 9 et un point de sortie 10.
De part et d'autre de cette ligne 1, on a distribué cinq segments de microruban 4 formant une ligne couplée ; le filtre accordable a donc été réalisé avec cinq cellules mais, comme on vient de l'indiquer, ce nombre dépend largement des caractéristiques électriques finales que l'on souhaite obtenir. En regard de ces segments 4 sont prévus des étranglements 11,11 et 12,12 permettant, de manière connue, d'ajuster les impédances (en mode pair et en mode impair) de chacune des lignes couplées.
L'une des extrémités de chaque segment 4 est en circuit ouvert, tandis que l'autre extrémité est reliée par un fil de liaison 5 à la cathode d'un varactor 6, ce fil de liaison formant l'inductance 5 du schéma de la figure 3.
Le varactor 6 est de préférence un composant réalisé sous forme d'un micropavé reporté en surface ; la liaison de la cathode du varactor à la masse est réalisée au moyen d'un via métallisé 16 reliant la plage de circuit sur laquelle est soudé le micropavé au plan de masse 8 sous-jacent.
On applique le potentiel continu -V à l'anode du varactor par l'intermédiaire d'un filtre passe-bas comprenant un condensateur de découplage de forte capacité 13 et un fil de connexion 14 de longueur importante constituant une impédance de forte valeur, passant au-dessus d'une tranchée 15 délimitant les circuits hyperfréquences proprement dits et le substrat diélectrique d'alumine ; on rend ainsi le circuit de commande en tension des varactors totalement neutre dans le domaine des hyperfréquences.

[0015] En complément, on peut prévoir de rendre le filtre commutable en remplaçant le circuit résonnant série par un circuit résonnant parallèle et en jouant sur la polarité de la tension appliquée aux varactors.
Dans ce cas, on peut mettre avantageusement plusieurs filtres coupe-bande du même type en cascade, chacun étant accordable sur une plage de fréquences différente. Par une commutation sélective de l'un ou l'autre des filtres, on peut ainsi couvrir une plage de fréquences beaucoup plus large que celle d'un seul filtre, s'étendant typiquement sur plusieurs octaves.

Exemple de réalisation

[0016] On a réalisé un filtre à cinq cellules avec l'implantation de la figure 5, destiné à opérer dans les conditions de fonctionnement suivantes :
- impédance caractéristique 50
- bande passante (hors fréquence réjectée) : 2 à 18 GHz,
- plage d'accord possible : 7 à 10 GHz,
- largeur de bande atténuée à - 25 dB : 300 MHz.

[0017] Un filtre répondant à ces conditions est obtenu en prenant les caractéristiques suivantes :
- cinq cellules,
- impédances ZOE en mode pair et ZOO en mode impair des lignes couplées (en ohms) de chaque cellule :

n° de cellule	impédance ZOE (mode pair )	impédance ZOO (mode impair)
1	70,14	38,8
2	68,8	33,9
3	71,2	31,5
4	73,4	35,5
5	63,8	36,1

- capacité du varactor à -4V : C = 0,45 pF,
- rapport maximal de variation de capacité C0/C25 = 3,7,
- inductance du fil de connexion reliant le varactor à la ligne couplée : L = 0,73 nH.

[0018] Les performances du filtre ainsi réalisé sont données sur les figures 6 et 7, qui représentent toutes deux la réponse du filtre (figure 6 pour toute la largeur W de la bande de fonctionnement ; figure 7 dans la plage de variation du filtre). On constate que la fréquence du filtre peut varier, de façon sensiblement logarithmique en fonction de la tension appliquée au varactor, entre environ 6,5 et 9,8 GHz, avec une largeur de bande atténuée w de 240 MHz à -25 dB et une réjection maximale de l'ordre de -40 dB, valeurs sensiblement constantes quelle que soit la fréquence d'accord.

Revendications

1. Filtre coupe-bande hyperfréquence en technologie microbande du type à lignes couplées, comportant une ligne de transmission sous forme de microruban (1) associée à au moins une cellule de filtrage comprenant un segment de microruban (4) disposé parallèlement à la ligne de transmission et à distance de celle-ci, ce segment de microruban ayant l'une de ses extrémités en circuit ouvert et l'autre reliée au potentiel de la masse, caractérisé en ce que, pour chaque cellule, la liaison au potentiel de la masse est réalisée avec interposition d'un circuit résonnant LC (5,6) accordable.

2. Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément capacitif du circuit résonnant LC accordable comprend un varactor (6) dont l'anode est portée à un potentiel continu (-V) ajustable, de sorte que la commande de ce potentiel continu permette la variation de la fréquence centrale de réjection du filtre coupe-bande.

3. Filtre selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément inductif du circuit résonnant LC accordable est réalisé sous forme d'un fil de liaison (5) du segment de microruban (4) au varactor (6), celui étant disposé sur le même substrat diélectrique (7) que ce segment de microruban.

4. Filtre selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le potentiel continu est appliqué à l'anode du varactor avec interposition d'un filtre passe-bas (13,14).

5. Filtre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport des fréquences de réjection extrêmes possibles est au moins égal à 1,5.

6. Filtre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de commutation pour mettre sélectivement en circuit ouvert ladite autre extrémité de chaque segment de microruban (4) au lieu de la relier au potentiel de la masse.

7. Filtre coupe-bande hyperfréquence en technologie microbande, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de filtres selon la revendication 6 montés en cascade, les moyens de commutation de chaque filtre étant commandés sélectivement de manière à ne commuter que le(s) filtre(s) élémentaire(s) dont la plage de variation de la fréquence de réjection contient la (les) fréquence(s) à éliminer.

Dessins