Filtre à cavités résonantes pour signaux hyperfréquences

Abstract

 La présente invention concerne un filtre (1) pour signaux hyperfréquences comportant une pluralité de cavités résonantes (2) et un passage longitudinal (3) les reliant entre elles, caractérisé en ce que ladite pluralité de cavités résonantes (2) et ledit passage longitudinal (3) sont entièrement remplis par un matériau diélectrique dont la permittivité relative ε_r est supérieure à un.

Description

[0001] La présente invention concerne un filtre à cavités résonantes pour signaux hyperfréquences.

[0002] Typiquement, un filtre pour signaux hyperfréquences consiste en un tunnel comportant une succession de cavités résonantes communiquant entre elles par un passage longitudinal. La taille et la fréquence centrale de la bande passante du filtre sont dépendantes de la taille et du nombre de ces cavités résonantes.

[0003] Les critères usuels de choix d'un filtre sont les suivants :

• une faible perte en transmission et un affaiblissement d'adaptation élevé dans la bande passante,
• une forte réjection en bande proche,
• une bonne tenue en température sur toute la bande,
• et une fabrication simple pour induire un coût de revient intéressant.

[0004] De plus, en raison de la miniaturisation généralisée des équipements électroniques, il devient actuellement essentiel de disposer de filtres de taille réduite.

[0005] Aussi, l'invention procède d'une recherche menée relativement à des filtres pour signaux hyperfréquences en vue de diminuer leur taille et de les rendre plus compact.

[0006] A cet effet, l'invention a pour objet un filtre pour signaux hyperfréquences comportant une pluralité de cavités résonantes et un passage longitudinal les reliant entre elles, caractérisé en ce que ladite pluralité de cavités résonantes et ledit passage longitudinal sont entièrement remplis par un matériau diélectrique dont la permittivité relative ε_r est supérieure à un.

[0007] Ainsi, les ondes se propagent, à l'intérieur du filtre, dans un matériau diélectrique de permittivité supérieure à l'air (ε_r=1), ce qui permet de diminuer le volume des cavités résonantes du filtre, et en conséquence d'augmenter la compacité du filtre. En effet, les équations de Maxwell montrent que le comportement électromagnétique d'un corps métallique rempli d'air est identique à celui de ce même corps rempli d'un matériau diélectrique de permittivité relative ε_r à condition de diminuer la taille de ce dernier dans un rapport

sur chacune de ses dimensions.

[0008] Les caractéristiques et avantages de l'invention mentionnés ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit et qui est faite en relation avec la figure unique, la Fig.1, qui représente une vue en perspective d'un filtre passe-bande selon l'invention.

[0009] Pour des raisons de commodité, la description ci-après fera référence à un filtre passe-bande sans qu'on puisse y voir une quelconque limitation sur le type des filtres concerné par l'invention.

[0010] La solution proposée par l'invention pour diminuer la taille des filtres pour signaux hyperfréquences consiste à remplir les cavités résonantes du filtre et le passage longitudinal les reliant par un matériau diélectrique de permittivité relative ε_r supérieure à celle de l'air. On remplace ainsi le milieu de propagation d'un filtre classique, l'air, par un matériau diélectrique de permittivité supérieure à un.

[0011] Une telle structure permet un gain en volume de ε_r^3/2 par rapport à celle d'un filtre classique. Par exemple, si on utilise un matériau diélectrique de permittivité 4, le gain en volume est de 8.

[0012] Un exemple de filtre passe-bande 1 conforme à l'invention est représenté sur la figure unique. Ce filtre comporte quatre cavités résonantes 2 successives reliées entre elles par un passage longitudinal 3, un accès d'entrée 4 et un accès de sortie 5 aux deux extrémités de la succession de cavités, l'ensemble de ces éléments étant creusé dans un bloc métallique parfaitement conducteur. Bien entendu, le bloc représenté est surmonté par un capot métallique (non représenté).

[0013] Selon l'invention, les cavités résonantes 2, le passage longitudinal 3 ainsi que les accès au filtre 4 et 5 sont entièrement remplis par un matériau diélectrique de permittivité relative ε_r supérieure à un. Le matériau diélectrique est un matériau céramique, par exemple un copolymère de styrène.

[0014] Cette structure de filtre présente alors un encombrement réduit qui est la conséquence de deux observations :

• une structure de filtre ayant une réponse donnée à la fréquence ƒ₀ aura la même réponse à la fréquence
  
  lorsqu'on le remplit avec un diélectrique de permittivité ε_r ; et
• la fréquence centrale ƒ₀ d'un filtre est transposée à la fréquence k.ƒ₀ lorsque ses dimensions sont réduites uniformément d'un facteur k (k≥1).

[0015] Ainsi, la réduction des dimensions du filtre d'un facteur k est compensée par son remplissage avec un diélectrique de permittivité relative ε_r = k².

[0016] De préférence, le diélectrique employé est homogène, c'est-à-dire qu'il présente des caractéristiques microscopiques uniformes dans l'espace, et isotrope, c'est-à-dire que ses caractéristiques sont identiques dans toutes les directions, de manière à ne pas introduire trop de pertes électromagnétiques.

[0017] En effet, on rappelle que le caractère diélectrique d'un matériau se manifeste par l'apparition de dipôles de polarisation au niveau de chaque molécule le constituant lorsqu'il est exposé à un champ électrique. Ce phénomène se modélise par une distribution de charges fictives réparties dans le volume et sur la surface du matériau. Pour un diélectrique homogène, linéaire et isotrope, la polarisation s'écrit :

=ε₀.χ.

où χ est une constante scalaire propre au matériau et appelée susceptibilité électrique. A l'intérieur d'un tel diélectrique, les champs électromagnétiques sont définis par les équations de Maxwell en prenant ε_r = ε₀.(1+χ). Des phénomènes de conduction et d'absorption au sein du diélectrique conduisent à des pertes d'énergie électromagnétique. Cela est pris en compte par l'introduction d'une partie imaginaire de la susceptibilité électrique. La permittivité devient alors complexe et s'écrit ε_r = ε'+jε" . Les pertes d'énergie à l'intérieur du diélectrique sont exprimées par le facteur ε"/ε'. Plus ce facteur est faible, plus les pertes sont faibles.

[0018] Par conséquent, le matériau diélectrique choisi présente avantageusement un facteur ε"/ε' très faible, par exemple inférieur à 0,002. Il reste néanmoins qu'un tel matériau présente toujours des pertes ; il ne peut en conséquence être utilisé pour des applications nécessitant de très faibles pertes d'insertion.

[0019] Hormis les pertes d'insertion, un tel filtre présente néanmoins de bonnes caractéristiques électriques; il dispose même d'une réjection en bande proche plus forte que celle d'un filtre classique.

[0020] Par ailleurs, les autres critères de choix du matériau diélectrique sont les suivants : il doit être facile à usiner ou à mouler, peu sensible au vieillissement, et présenter un coefficient de dilatation proche de celui du métal dans lequel sont creusées les cavités.

[0021] Dans l'exemple de réalisation de la figure 1, il est par ailleurs prévu, pour la jonction d'un câble coaxial à l'entrée et à la sortie du filtre, des trous 6 et 7 dans le diélectrique au niveau des accès d'entrée 4 et de sortie 5 du filtre, lesquels trous 6 et 7 sont destinés à recevoir respectivement l'âme du câble coaxial en entrée et celle du câble coaxial en sortie.

[0022] Pour une jonction avec un guide d'onde rectangulaire classique d'impédance et de section différentes, on prévoit d'introduire entre le guide et l'accès correspondant du filtre une ligne quart d'onde pour l'adaptation d'impédance et un guide convergent pour assurer le changement de sections.

Revendications

1. Filtre (1) pour signaux hyperfréquences comportant une pluralité de cavités résonantes (2) et un passage longitudinal (3) les reliant entre elles, caractérisé en ce que ladite pluralité de cavités résonantes (2) et ledit passage longitudinal (3) sont entièrement remplis par un matériau diélectrique dont la permittivité relative ε_r est supérieure à un.

2. Filtre selon la revendication 1, caractérisé en que le matériau diélectrique est un matériau céramique homogène et isotrope.

3. Filtre selon la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau diélectrique est un copolymère de styrène.

4. Filtre selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le matériau diélectrique choisi a une permittivité relative ε_r=ε'+jε", pour laquelle le rapport ε"/ε' est faible.

Dessins