[0001] La présente invention concerne un dispositif de filtrage différentiel à résonateurs
couplés. Elle concerne également une antenne filtrante comportant au moins un dispositif
de filtrage de ce type.
[0002] Les systèmes d'émission/réception radiofréquence alimentés par des signaux électriques
différentiels sont très attrayants pour les systèmes de communications sans fil actuels
et futurs, notamment pour les concepts d'objets communicants autonomes. Une alimentation
différentielle est une alimentation par deux signaux d'égale amplitude en opposition
de phase. Elle contribue à réduire, voire à éliminer, le bruit dit « de mode commun
» indésirable dans les systèmes d'émission et de réception.
[0003] Dans le domaine de la téléphonie mobile par exemple, lorsqu'un système non différentiel
est utilisé, une dégradation importante des performances du rayonnement est en effet
observée quand l'opérateur tient un combiné muni d'un tel système. Cette dégradation
est causée par la variation, due à la main de l'opérateur, de la distribution du courant
sur le châssis du combiné utilisé comme plan de masse. L'utilisation d'une alimentation
différentielle rend le système symétrique et réduit ainsi la concentration de courant
sur le boîtier du combiné : elle rend donc le combiné moins sensible au bruit de mode
commun introduit par la main de l'opérateur.
[0004] Dans le domaine des antennes, une alimentation non différentielle entraîne le rayonnement
d'une composante croisée indésirable due au mode commun circulant sur les câbles d'alimentation
non symétriques. L'utilisation d'une alimentation différentielle élimine le rayonnement
croisé des câbles de mesure et permet ainsi l'obtention de mesures reproductibles
et indépendantes du contexte de mesure ainsi que des diagrammes de rayonnement parfaitement
symétriques.
[0005] Dans le domaine des composants actifs, les amplificateurs de puissance de type «
push-pull » dont la structure est différentielle présentent plusieurs avantages, tels
que le dédoublement de la puissance en sortie et l'élimination des harmoniques d'ordres
supérieurs. En réception, les amplificateurs différentiels à faible bruit présentent
plusieurs perspectives en terme de réduction du facteur de bruit. Aussi, l'utilisation
d'une structure différentielle empêche le déclenchement indésirable des oscillateurs
par le bruit de mode commun.
[0006] Pourtant, il existe peu de filtres réalisés en technologie différentielle. Généralement
les concepteurs de systèmes différentiels utilisent des filtres non différentiels
et assurent le passage en mode différentiel par des circuits symétriseurs tels que
des baluns (de l'Anglais « BALanced to UNbalanced ») qui assurent en outre une adaptation
d'impédance entre les deux dispositifs à connecter.
[0007] L'utilisation de baluns implique plusieurs inconvénients : augmentation de l'encombrement,
du coût et ajout de pertes supplémentaires réduisant ainsi les performances globales
du système. Un autre problème réside dans la difficulté de réaliser des baluns à large
bande passante, c'est-à-dire capables d'assurer une transformation parfaite d'un signal
non différentiel en un signal différentiel sur toute la bande passante. Ils peuvent
entraîner la création de signaux de mode commun et dégrader le fonctionnement global
du système. Il en résulte un grand besoin de réaliser des filtres directement en technologie
différentielle pour s'affranchir de tous les inconvénients engendrés par l'utilisation
de baluns.
[0008] Le brevet européen publié sous le numéro
EP 0 542 917 B1 présente un filtre différentiel à anneaux couplés en technologie micro ruban. Ce
filtre comporte deux micro rubans couplés pouvant transmettre un signal différentiel.
[0009] L'inconvénient majeur de ce type de filtre différentiel en technologie micro ruban
réalisé sur un substrat diélectrique est la nécessité de prévoir un plan de masse
sur la face du substrat opposée à celle sur laquelle sont disposés les anneaux. Ce
filtre ne peut alors pas être directement connecté à une antenne dipôle différentielle
parce que le couplage entre le plan de masse du filtre et l'antenne pourrait dégrader
l'adaptation d'impédance de l'antenne. De plus, sa structure bi planaire nécessite
de creuser des via dans le substrat pour le montage de composants discrets en série
ou en parallèle.
[0010] Par ailleurs, ce filtre à anneaux couplés réalisé en technologie micro ruban présente
une bande passante étroite et n'est donc pas adapté aux télécommunications à haut
débit exigeant de très larges bandes passantes.
[0011] L'invention concerne donc plus précisément un dispositif de filtrage différentiel
comportant une paire de résonateurs couplés disposés sur une même face d'un substrat
diélectrique, chaque résonateur comportant deux bandes conductrices positionnées de
façon symétrique par rapport à un plan perpendiculaire à la face sur laquelle est
disposé le résonateur, ces deux bandes conductrices étant raccordées respectivement
à deux conducteurs d'un port bi-ruban de connexion à une ligne de transmission d'un
signal différentiel.
[0013] Dans ce document, la réalisation d'un filtre en technologie CPS différentielle est
présentée notamment en référence à la figure 12. La technologie CPS facilite la connexion
directe de ce filtre avec des dispositifs rayonnants différentiels tels que des antennes
dipôles et rend cette connexion moins perturbante pour les antennes. Ce filtre comporte
deux résonateurs coplanaires, comportant chacun une portion de ligne bi-ruban constituée
de deux bandes conductrices rectilignes parallèles et symétriques par rapport à un
plan perpendiculaire au plan des résonateurs. Ce plan de symétrie représente un plan
de masse virtuel pour le filtre du fait de son caractère différentiel.
[0014] Chaque bande conductrice présente une longueur qui correspond à un quart de la longueur
d'onde apparente dans le substrat du filtre à la fréquence haute de fonctionnement
du filtre. Les deux bandes conductrices d'un même résonateur sont raccordées, à l'une
de leurs deux extrémités, respectivement à deux conducteurs d'un port bi-ruban de
connexion à une ligne de transmission d'un signal différentiel. Elle conservent donc
chacune une extrémité libre. Le couplage capacitif des deux résonateurs est alors
réalisé par la disposition en vis-à-vis des extrémités libres de leurs bandes conductrices
respectives. Le filtrage passe-bande est réalisé, d'une part, par les sauts d'impédance
entre chaque paire de bandes conductrices et le port auquel elle est raccordée et,
d'autre part, par le couplage capacitif des deux résonateurs.
[0015] Une telle topologie permet d'atteindre des bandes passantes élevées à forte réjection
hors bande pour des filtres d'ordre 2, 3 ou 4. La disposition en vis-à-vis des deux
paires de bandes conductrices rectilignes et parallèles implique une dimension du
filtre voisine de la demi longueur d'onde apparente à la fréquence haute de fonctionnement,
ce qui est relativement compact. Cette compacité peut même être optimisée en choisissant
un substrat dont les propriétés diélectriques permettent de réduire la longueur d'onde
apparente. Cependant, certaines applications, notamment à des objets communicants
autonomes de petite taille, nécessitent des filtres encore plus compacts.
[0016] Malheureusement, la plupart des dispositifs à technologie CPS connus sont des circuits
actifs comme des mélangeurs ou des oscillateurs, ainsi que des amplificateurs différentiels
de type push-pull, ou bien des lignes d'alimentation d'antennes différentielles ou
de circuits actifs. En général, les filtres planaires différentiels sont réalisés
aujourd'hui en technologie micro ruban. Sachant qu'un grand savoir faire existe pour
la réalisation de filtres en technologie micro ruban, il est facile de les modifier
pour fonctionner en mode différentiel. Mais malgré la ressemblance a priori des deux
technologies CPS et micro ruban, le fonctionnement qu'elles impliquent est totalement
différent. Deux structures ayant la même topologie en face supérieure du substrat
peuvent montrer des caractéristiques différentes à cause de la distribution des champs
électriques et magnétiques qui sont différents sur les deux types de lignes. En effet,
la présence du plan de masse sur la face inférieure du substrat en technologie micro
ruban modifie complètement le fonctionnement d'une structure micro ruban différentielle
par rapport à une structure CPS. Il n'est donc pas possible de profiter du savoir
faire en technologie micro ruban pour réaliser des filtres CPS, ces deux technologies
appartenant à des domaines techniques bien distincts pour la réalisation de filtres
différentiels.
[0017] Il peut ainsi être souhaité de prévoir un dispositif de filtrage différentiel présentant
une meilleure compacité tout en conservant les mêmes performances en termes de bande
passante et de réjection que les quelques filtres connus réalisés en technologie CPS
différentielle.
[0018] L'invention a donc pour objet un dispositif de filtrage différentiel à résonateurs
couplés, comportant une paire de résonateurs couplés disposés sur une même face d'un
substrat diélectrique, chaque résonateur comportant deux bandes conductrices positionnées
de façon symétrique par rapport à un plan perpendiculaire à la face sur laquelle est
disposé le résonateur, ces deux bandes conductrices étant raccordées respectivement
à deux conducteurs d'un port bi-ruban de connexion à une ligne de transmission d'un
signal différentiel,
caractérisé en ce que chaque bande conductrice de chaque résonateur est repliée sur elle-même de manière
à former un couplage capacitif entre ses deux extrémités.
[0019] Ainsi, le repliement de chaque bande conductrice sur elle-même permet d'envisager
une taille de filtre inférieure, notamment une longueur de filtre inférieure à la
demi longueur d'onde apparente, pour des raisons géométriques. En outre, le fait que
ce repliement soit conçu de manière à former un couplage capacitif entre les deux
extrémités de chaque bande conductrice crée au moins un zéro de transmission en fréquence
supplémentaire assurant une haute performance en largeur de bande passante et en réjection
hors bande du dispositif de filtrage. Enfin, le couplage capacitif par repliement
générant aussi un couplage magnétique, la taille de chaque bande conductrice peut
encore être réduite tout en assurant une même fonction filtrante de l'ensemble.
[0020] Avantageusement, les deux résonateurs de la paire sont couplés par la disposition
en vis à vis de leurs bandes conductrices respectives disposées du même côté par rapport
audit plan de symétrie, sur des portions de longueur respectives de ces bandes conductrices
repliées.
[0021] Le couplage capacitif des deux résonateurs est ainsi amélioré, en ne se limitant
pas au couplage des extrémités des bandes conductrices.
[0022] De façon optionnelle, chaque bande conductrice de chaque résonateur est de forme
générale annulaire, ses extrémités étant repliées à l'intérieur de la forme générale
annulaire sur une portion de longueur prédéterminée de celles-ci, le repliement des
extrémités étant situé sur une portion de la bande conductrice disposée en vis-à-vis
de l'autre bande conductrice du résonateur.
[0023] La portion de longueur sur laquelle est réalisé le repliement peut être choisie pour
régler une certaine bande passante voulue du dispositif de filtrage.
[0024] De façon optionnelle également, chaque bande conductrice de chaque résonateur est
de forme générale rectangulaire.
[0025] De façon optionnelle également, chaque bande conductrice de chaque résonateur est
de forme générale carrée.
[0026] Dans cette configuration géométrique, la compacité est optimale.
[0027] De façon optionnelle également, au moins une partie des portions de bande conductrice
formant les côtés de la forme générale rectangulaire ou carrée de chaque bande conductrice
comporte des repliements supplémentaires.
[0028] De façon optionnelle également, les repliements supplémentaires sont dirigés vers
l'intérieur de la forme générale rectangulaire ou carrée.
[0029] De façon optionnelle également, les deux bandes conductrices de l'un des deux résonateurs
sont distantes d'une première distance entre elles et les deux bandes conductrices
de l'autre des deux résonateurs sont distantes d'une seconde distance entre elles,
cette seconde distance étant différente de la première distance de sorte que le dispositif
de filtrage remplisse une fonction supplémentaire d'adaptation d'impédance par présentation
d'une impédance de sortie différente de son impédance d'entrée.
[0030] Dans ce cas, le dispositif de filtrage peut être utilisé pour raccorder directement
deux circuits d'impédances différentes, tels qu'une antenne et un circuit actif.
[0031] L'invention a également pour objet une antenne dipôle filtrante différentielle comportant
au moins un dispositif de filtrage tel que défini précédemment.
[0032] De façon optionnelle, une antenne dipôle filtrante différentielle selon l'invention
peut comporter une structure rayonnante conformée pour intégrer dans ses dimensions
extérieures ledit dispositif de filtrage.
[0033] L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée
uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels
:
- la figure 1 représente schématiquement la structure générale d'un dispositif de filtrage
selon un premier mode de réalisation de l'invention,
- la figure 2 représente un schéma électrique équivalent du dispositif de filtrage de
la figure 1 ,
- la figure 3 illustre la caractéristique d'une réponse fréquentielle en transmission
et en réflexion du dispositif de filtrage de la figure 1,
- la figure 4 représente schématiquement la structure générale d'un dispositif de filtrage
selon un deuxième mode de réalisation de l'invention,
- la figure 5 représente schématiquement la structure générale d'un ensemble de filtrage
et d'adaptation d'impédances à deux filtres tels que celui de la figure 4, selon un
mode de réalisation de l'invention,
- la figure 6 représente schématiquement la structure générale d'un dispositif de filtrage
selon un troisième mode de réalisation de l'invention,
- les figures 7, 8 et 9 représentent schématiquement trois modes de réalisation d'antennes
filtrantes selon l'invention.
[0034] Le dispositif 10 de filtrage différentiel à résonateurs couplés représenté sur la
figure 1 comporte au moins une paire de résonateurs 12 et 14, couplés entre eux par
couplage capacitif et disposés sur une même face plane 16 d'un substrat diélectrique.
[0035] Le premier résonateur 12, constitué d'une portion de ligne bi-ruban, est relié à
deux conducteurs E1 et E2 d'un port bi-ruban de connexion à une ligne de transmission
d'un signal différentiel. Ces deux conducteurs E1 et E2 du port bi-ruban sont symétriques
par rapport à un plan P perpendiculaire à la face plane 16 et formant un plan de masse
électrique virtuel. Ils sont d'une largeur w et distants entre eux d'une distance
s, ces deux paramètres s et w définissant l'impédance du port bi-ruban.
[0036] De même, Le second résonateur 14, lui aussi constitué d'une portion de ligne bi-ruban,
est relié à deux conducteurs S1 et S2 d'un port bi-ruban de connexion à une ligne
de transmission d'un signal différentiel. Ces deux conducteurs S1 et S2 du port bi-ruban
sont également symétriques par rapport au plan de masse électrique virtuel P.
[0037] Les deux résonateurs 12 et 14 sont eux-mêmes symétriques par rapport à un axe normal
au plan P situé sur la face plane 16. Par conséquent, le dispositif de filtrage 10
est symétrique entre son entrée et sa sortie différentielles de sorte que celles-ci
peuvent tout à fait être inversées. Ainsi, dans la suite de la description du mode
de réalisation représenté sur la figure 1, les deux conducteurs E1 et E2 seront choisis
par convention comme étant le port bi-ruban d'entrée du dispositif de filtrage 10,
pour la réception d'un signal différentiel non filtré. Les deux conducteurs S1 et
S2 seront choisis par convention comme étant le port bi-ruban de sortie du dispositif
de filtrage 10, pour la fourniture du signal différentiel filtré.
[0038] Plus précisément, le premier résonateur 12 comporte deux bandes conductrices identifiées
par leurs références LE1 et LE2. Ces deux bandes conductrices LE1 et LE2 sont positionnées
de façon symétrique par rapport au plan de masse électrique virtuel P. Elles sont
respectivement reliées aux deux conducteurs E1 et E2 du port d'entrée. Le second résonateur
14 comporte deux bandes conductrices identifiées par leurs références LS1 et LS2.
Ces deux bandes conductrices LS1 et LS2 sont également positionnées de façon symétrique
par rapport au plan de masse électrique virtuel P. Elles sont respectivement reliées
aux deux conducteurs S1 et S2 du port de sortie.
[0039] Le couplage capacitif des deux résonateurs 12 et 14 est assuré par la disposition
en vis-à-vis mais sans contact de leurs paires de bandes conductrices respectives.
Ainsi, les bandes conductrices LE1 et LS1, situées d'un même côté par rapport au plan
de masse électrique virtuel P, sont disposées en vis-à-vis à une distance e l'une
de l'autre. De même, les bandes conductrices LE2 et LS2, situées de l'autre côté par
rapport au plan de masse électrique virtuel P, sont disposées en vis-à-vis à la même
distance e l'une de l'autre.
[0040] Cette distance e entre les deux résonateurs 12 et 14 influence principalement la
bande passante du dispositif de filtrage 10 et a un effet secondaire sur son impédance
caractéristique. Plus e diminue, c'est-à-dire plus le couplage capacitif est fort
entre les deux résonateurs, plus la bande passante est large. Cela a aussi pour effet
d'augmenter l'impédance. Plus précisément, la bande passante est élargie par l'apparition
de deux zéros de réflexion distincts à l'intérieur de cette bande passante, correspondant
à deux fréquences de résonance distinctes, lorsque e est suffisamment petit pour réaliser
le couplage capacitif entre les deux résonateurs. Plus la distance e est faible, plus
les deux zéros de réflexion créés s'éloignent l'un de l'autre, élargissant ainsi la
bande passante. Cependant, s'ils sont trop éloignés, ils peuvent engendrer la séparation
de la bande passante élargie en deux bandes passantes distinctes par réapparition
d'une réflexion importante entre les deux zéros, ce qui va à l'encontre de l'effet
recherché. Par conséquent, la distance e doit être suffisamment petite pour augmenter
la bande passante mais aussi suffisamment importante pour ne pas générer de réflexion
non souhaitée à l'intérieur de la bande passante.
[0041] De façon classique, pour un bon fonctionnement des résonateurs d'un dispositif de
filtrage à résonateurs couplés, chaque bande conductrice doit être de longueur λ/4,
où λ est la longueur d'onde apparente, pour un substrat considéré, correspondant à
la fréquence haute de fonctionnement du dispositif de filtrage. Ainsi, si les bandes
conductrices étaient disposés linéairement dans le prolongement des ports d'entrée
et sortie du dispositif de filtrage 10, l'ensemble atteindrait une longueur voisine
de λ/2 : en pratique, pour une fréquence de 3 GHz, on obtiendrait par exemple une
longueur proche de 3 cm.
[0042] Mais en fait, les bandes conductrices LE1, LE2, LS1 et LS2 sont avantageusement repliées
sur elles-mêmes de manière à former localement des couplages capacitifs et magnétiques
supplémentaires entre leurs deux extrémités. La taille du dispositif de filtrage 10
est ainsi réduite pour au moins deux raisons : les repliements engendrent géométriquement
une réduction de taille de l'ensemble, mais en outre, grâce aux couplages capacitifs
et magnétiques, la taille de chaque bande conductrice peut encore être réduite tout
en assurant un bon fonctionnement des résonateurs. Ce couplage capacitif et magnétique
génère en outre une rétroaction entre l'entrée et la sortie de chaque bande conductrice,
de manière à créer un ou plusieurs zéros de transmission supplémentaires à des fréquences
supérieures à la limite supérieure de la bande passante du dispositif de filtrage
10. La réjection en bande haute est ainsi améliorée.
[0043] Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 1 les quatre bandes conductrices
sont de forme générale annulaire, leurs extrémités étant repliées à l'intérieur de
cette forme générale annulaire sur une portion de longueur prédéterminée de celles-ci.
[0044] Pour un bon fonctionnement du dispositif de filtrage 10, le repliement des extrémités
de chaque bande conductrice est situé sur une portion de cette bande conductrice disposée
en vis-à-vis de l'autre bande conductrice du même résonateur. Ainsi, les repliements
d'extrémités des bandes conductrices LE1 et LE2 sont disposés en vis-à-vis de part
et d'autre du plan de symétrie P et à proximité de celui-ci.
[0045] Plus précisément, la bande conductrice LE1 est de forme générale rectangulaire et
constituée de segments conducteurs rectilignes. Un premier segment LE1
1 comportant une première extrémité libre de la bande conductrice LE1 s'étend vers
l'intérieur du rectangle formé par la bande conductrice sur une longueur L dans une
direction orthogonale au plan de masse virtuel P. Un deuxième segment LE1
2, raccordé à ce premier segment à angle droit, constitue une partie du côté du rectangle
parallèle au plan de masse virtuel P et proche de celui-ci. Un troisième segment LE1
3, raccordé à ce deuxième segment à angle droit, constitue le côté du rectangle orthogonal
au plan de masse virtuel P et relié au conducteur E1 du port d'entrée. Un quatrième
segment LE1
4, raccordé à ce troisième segment à angle droit, constitue le côté du rectangle parallèle
au plan de masse virtuel P et proche d'un bord extérieur du substrat. Un cinquième
segment LE1
5, raccordé à ce quatrième segment à angle droit, constitue le côté du rectangle orthogonal
au plan de masse virtuel P et opposé au côté LE1
3. Un sixième segment LE1
6, raccordé à ce cinquième segment à angle droit, constitue comme le deuxième segment
LE1
2 une partie du côté du rectangle parallèle au plan de masse virtuel P et proche de
celui-ci. Enfin, un septième segment LE1
7 comportant la deuxième extrémité libre de la bande conductrice LE1, raccordé au sixième
segment à angle droit, s'étend vers l'intérieur du rectangle sur la longueur L dans
une direction orthogonale au plan de masse virtuel P, c'est-à-dire parallèlement au
segment LE1
1 et en vis-à-vis de celui-ci sur toute la longueur L de repliement.
[0046] Les segments LE1
1 et LE1
7 sont distants d'une distance constante e
S sur toute leur longueur ce qui assure leur couplage capacitif.
[0047] La bande conductrice LE1 peut aussi être vue comme constituée d'une bande conductrice
principale pliée raccordée à l'une de ses extrémités au conducteur E1, cette bande
conductrice principale comportant les segments LE1
1, LE1
2 et la partie du segment LE1
3 située entre le segment LE1
2 et le conducteur E1, et d'une dérivation de type « stub » repliée sur la bande conductrice
principale, cette dérivation de type « stub » comportant l'autre partie du segment
LE1
3, et les segments LE1
4 à LE1
7. La dérivation de type « stub » est alors considérée comme posée à la jonction entre
la bande conductrice principale et le conducteur E1. Elle devrait théoriquement présenter
une longueur totale de λ/4, mais les couplages capacitifs et magnétiques engendrés
par le repliement de la bande conductrice LE1 sur elle-même permettent de réduire
cette longueur, notamment de 10 à 20 % sur la dérivation en « stub ».
[0048] Il est en outre intéressant de noter qu'une taille suffisamment réduite du segment
LE1
4 permet de rapprocher les segments LE1
3 et LE1
5, mais aussi les segments LE1
3 et LE1
1, ou les segments LE1
5 et LE1
7, de manière à multiplier le nombre de couplages capacitifs et magnétiques engendrés
par le repliement de la bande conductrice LE1 sur elle-même. Ces multiples couplages
améliorent le fonctionnement du dispositif de filtrage 10.
[0049] La longueur L de couplage entre les deux extrémités repliées, i.e. les deux segments
LE1
1 et LE1
7, influence principalement la bande passante du dispositif de filtrage 10, mais a
également un effet secondaire sur la réjection en bande haute. Plus elle augmente,
plus la bande passante est réduite mais plus la réjection en bande haute est améliorée.
[0050] La distance e
S entre les deux extrémités repliées influence principalement la réjection en bande
haute du dispositif de filtrage 10 : plus elle est réduite, plus la réjection en bande
haute est améliorée. On notera cependant que cette distance ne peut être inférieure
à une limite imposée par la précision de la gravure de la bande conductrice LE1 sur
le substrat.
[0051] La bande conductrice LE2 est constituée, comme la bande conductrice LE1, de sept
segments conducteurs LE2
1 à LE2
7 disposés sur la face plane 16 du substrat de façon symétrique aux sept segments LE1
1 à LE1
7 par rapport au plan de masse virtuel P. Les deux bandes conductrices LE1 et LE2 sont
distantes d'une distance constante e
1, correspondant à la distance qui sépare les segments LE1
2 et LE1
6, d'une part, des segments LE2
2 et LE2
6, d'autre part.
[0052] Cette distance e
1 influence principalement l'impédance du premier résonateur 12, c'est-à-dire l'impédance
d'entrée du dispositif de filtrage 10, mais a également un effet secondaire sur la
bande passante du dispositif de filtrage 10. Plus elle augmente, plus l'impédance
augmente et de façon moins marquée, plus la bande passante est réduite.
[0053] Les deux résonateurs 12 et 14 étant symétriques par rapport à un axe normal au plan
de masse virtuel P situé sur la face plane 16, les bandes conductrices LS1 et LS2
sont constituées chacune, comme les bandes conductrices LE1 et LE2, de sept segments
conducteurs LS1
1 à LS1
7 et LS2
1 à LS2
7 respectivement, imprimés sur la face plane 16 du substrat de façon symétrique aux
segments des bandes conductrices LE1 et LE2 par rapport à cet axe. Par symétrie également,
les deux bandes conductrices LS1 et LS2 sont distantes d'une distance constante e
2 égale à e
1, correspondant à la distance qui sépare les segments LS1
2 et LS1
6, d'une part, des segments LS2
2 et LS2
6, d'autre part.
[0054] Cette distance e
2 influence également principalement l'impédance du second résonateur 14, c'est-à-dire
l'impédance de sortie du dispositif de filtrage 10, mais a également un effet secondaire
sur la bande passante du dispositif de filtrage 10. Plus elle augmente, plus l'impédance
augmente et de façon moins marquée, plus la bande passante est réduite.
[0055] La distance e séparant les deux résonateurs 12 et 14 correspond à la distance qui
sépare les segments LE1
5 et LE2
5, d'une part, des segments LS1
5 et LS2
5, d'autre part. Le couplage capacitif entre les deux résonateurs 12 et 14 est donc
établi sur toute la longueur des segments LE1
5 et LE2
5, d'une part, et des segments LS1
5 et LS2
5, d'autre part.
[0056] Dans une topologie telle que celle illustrée sur la figure 1, où la longueur du rectangle
formé par l'une quelconque des bandes conductrices est environ deux fois supérieure
à sa largeur et où le repliement de longueur L se fait sur la moitié de la longueur
du rectangle à l'intérieur de celui-ci, on obtient des dimensions du rectangle formé
par chaque bande conductrice voisines de λ/30 par λ/60, soit des dimensions du dispositif
de filtrage 10 voisines de λ/15 par λ/30. Ces dimensions permettent d'atteindre une
compacité nettement meilleure que celles des dispositifs existants.
[0057] La figure 2 présente schématiquement un circuit électrique équivalent du dispositif
de filtrage 10 précédemment décrit.
[0058] Dans ce circuit, un premier inverseur 20 représente un saut d'impédance, de Z
0 à Z
1, en entrée du dispositif de filtrage 10. L'impédance Z
0 est déterminée par les paramètres s et w des conducteurs E1 et E2 du port d'entrée,
tandis que l'impédance Z
1 est déterminée notamment par la distance e
1 entre les bandes conductrices LE1 et LE2.
[0059] Un second inverseur 22 représente le saut d'impédance correspondant, de Z
1 à Z
0, en sortie du dispositif de filtrage 10.
[0060] Les premier et second résonateurs couplés 12 et 14 sont représentés chacun par un
circuit LC à capacité C et inductance L en parallèle. Ces deux circuits LC sont reliés,
d'une part, respectivement aux premier et second inverseurs 20 et 22 et, d'autre part,
à la masse.
[0061] Enfin, le repliement des bandes conductrices LE1, LE2, LS1 et LS2 crée des couplages
supplémentaires, à l'intérieur de chaque résonateur mais également entre les résonateurs,
pouvant être représentés par un circuit LC de rétroaction 24, à capacité C1 et inductance
L1 en parallèle, relié, d'une part, à la jonction 26 entre le premier résonateur 12
et le premier inverseur 20 et, d'autre part, à la jonction 28 entre le second résonateur
14 et le second inverseur 22. Ce circuit LC de rétroaction 24 améliore la réjection
en bande haute du dispositif de filtrage 10 par l'ajout d'un ou de plusieurs zéros
de transmission dans les fréquences élevées.
[0062] Le graphique illustré sur la figure 3 représente la caractéristique d'une réponse
fréquentielle en transmission et en réflexion du dispositif de filtrage décrit précédemment.
[0063] Le coefficient de réflexion S
11 de cette réponse fréquentielle montre une bande passante à -10 dB (définition généralement
admise de la bande passante en réflexion) comprise entre environ 3,2 et 4,4 GHz. Comme
indiqué précédemment, la bande passante est élargie par la présence de deux zéros
de réflexion distincts à l'intérieur de cette bande passante, ces deux zéros étant
dus à la présence des deux résonateurs couplés distants de e dans le dispositif de
filtrage 10. Cependant, on voit bien sur la figure 3 que s'ils sont trop éloignés,
la portion de courbe S
11 située entre ces deux zéros de réflexion peut remonter au dessus de -10 dB, ce qui
engendre une séparation de la bande passante élargie en deux bandes passantes distinctes.
Par conséquent, la distance e ne doit pas être trop faible pour ne pas provoquer de
réflexion supérieure à -10 dB dans la bande passante élargie.
[0064] Le coefficient de transmission S
21 de la réponse fréquentielle montre une bande passante à -3 dB (définition généralement
admise de la bande passante en transmission), comprise entre environ 2,7 et 4,5 GHz,
ainsi que deux zéros de transmission à environ 5,1 et 6,9 GHz.
[0065] L'un de ces deux zéros de transmission hors bande est dû au couplage entre les deux
résonateurs du dispositif de filtrage 10 sur toute la longueur de leurs portions LE1
5, LE2
5 d'une part et LS1
5, LS2
5 d'autre part. L'autre de ces deux zéros de transmission est dû aux couplages intra-résonateurs
supplémentaires créés par le repliement des bandes conductrices sur elles-mêmes. Ces
deux zéros de transmission entraînent une forte réjection du filtre en bande haute
et une asymétrie de la réponse fréquentielle du fait de la réjection moyenne en bande
basse. Mais cette asymétrie peut s'avérer avantageuse, notamment pour une application
d'intégration directe du dispositif de filtrage 10 dans une antenne différentielle.
En effet, de telles antennes présentent généralement de fortes résonances à basse
fréquence et équivalent par conséquent à des filtres passe-haut, ce qui compense l'asymétrie
du dispositif de filtrage 10 en améliorant sa réjection en bande basse.
[0066] Un deuxième mode de réalisation d'un dispositif de filtrage différentiel selon l'invention
est représenté schématiquement sur la figure 4. Ce dispositif 10' comporte une paire
de résonateurs 12' et 14', couplés entre eux par couplage capacitif et disposés sur
une même face plane 16 d'un substrat diélectrique. Ces deux résonateurs sont similaires
à ceux, 12 et 14, du dispositif de la figure 1.
[0067] En revanche, dans ce deuxième mode de réalisation, les deux résonateurs 12' et 14'
ne sont pas symétriques par rapport à un axe normal au plan P situé sur la face plane
16. En effet, la distance e
1 séparant les deux bandes conductrices LE1 et LE2 du premier résonateur 12' est distincte
de la distance e
2 séparant les deux bandes conductrices LS1 et LS2 du second résonateur 12'. Dans l'exemple
illustré, la distance e
2 est supérieure à la distance e
1.
[0068] Cependant, le couplage capacitif entre les deux résonateurs 12' et 14' n'est pas
rompu pour autant. En effet, du fait du repliement des bandes conductrices sur elles-mêmes,
celles-ci restent en vis-à-vis sur au moins une portion de leur longueur, plus précisément
sur au moins une portion des longueurs LE1
5 et LS1
5, d'une part, et des longueurs LE2
5 et LS2
5, d'autre part. En comparaison avec l'existant, il ne serait par exemple pas possible
de concevoir une telle différence entre les distances e
1 et e
2 dans le dispositif de filtrage décrit en référence à la figure 12 du document « Broadband
and compact coupled coplanar stripline filters with impedance steps » précité, parce
que dans ce document, ce sont les extrémités libres des bandes conductrices qui sont
disposées en vis-à-vis de sorte qu'un décalage, même léger, entre elles romprait le
couplage capacitif entre les deux résonateurs.
[0069] Puisque ces distances e
1 et e
2 permettent de régler respectivement les impédances d'entrée et de sortie du dispositif
de filtrage 10', il est ainsi possible de concevoir un dispositif de filtrage passe
bande qui remplisse en outre une fonction d'adaptation d'impédances entre les circuits
auxquels il est destiné à être connecté. Dans l'exemple illustré sur la figure 4,
la distance e
1 engendre ainsi une impédance d'entrée Z
1 inférieure à l'impédance de sortie Z
2 engendrée par la distance e
2.
[0070] Ce deuxième mode de réalisation permet l'intégration directe d'un dispositif de filtrage
selon l'invention avec des antennes différentielles et des circuits actifs différentiels
d'impédances différentes. On notera cependant qu'une telle intégration directe avec
un seul dispositif filtrant fonctionne d'autant mieux que la différence entre les
impédances Z
1 et Z
2 est faible.
[0071] De façon alternative, un ensemble de plusieurs dispositifs de filtrage selon le deuxième
mode de réalisation de l'invention ajoutés en série peut être utilisé de manière à
faciliter l'adaptation d'impédance entre des circuits à impédances très différentes.
[0072] Un tel ensemble à deux dispositifs de filtrage est par exemple représenté schématiquement
sur la figure 5.
[0073] Dans cet ensemble, un amplificateur 30 est raccordé à l'entrée d'un premier dispositif
de filtrage 32, via le port d'entrée 34 de ce premier dispositif de filtrage. L'impédance
de l'amplificateur 30 ayant une valeur Z
1, le premier dispositif de filtrage 32 est conçu, par réglage de la distance entre
les bandes conductrices repliées de son premier résonateur, pour présenter une impédance
d'entrée de valeur conjuguée Z
1* assurant ainsi un transfert de puissance maximal entre le premier dispositif de
filtrage 32 et l'amplificateur 30.
[0074] Une antenne 36 est raccordée à la sortie d'un second dispositif de filtrage 38, via
le port de sortie 40 de ce second dispositif de filtrage. L'impédance de l'antenne
36 ayant une valeur Z
2, le second dispositif de filtrage 38 est conçu, par réglage de la distance entre
les bandes conductrices repliées de son second résonateur, pour présenter une impédance
de sortie de valeur conjuguée Z
2* assurant ainsi un transfert de puissance maximal entre le second dispositif de filtrage
38 et l'antenne 36.
[0075] Enfin, les deux dispositifs de filtrage 32 et 38 sont raccordés entre eux, soit directement,
soit indirectement via une ligne quart d'onde 42 remplissant une fonction d'inverseur,
la sortie du premier dispositif de filtrage 32 et l'entrée du second dispositif de
filtrage 38 étant conçues, par réglage de la distance entre les bandes conductrices
repliées du second résonateur du premier dispositif de filtrage 32 et de la distance
entre les bandes conductrices repliées du premier résonateur du second dispositif
de filtrage 38, pour présenter une même impédance Z
0. Cette même impédance Z
0 assure l'adaptation d'impédances et peut être choisie de façon à assurer la meilleure
réjection possible.
[0076] Ainsi, l'adaptation des impédances Z
1 et Z
2 qui peuvent être très différentes se fait en passant par une impédance intermédiaire
Z
0 grâce à l'ensemble comportant les deux dispositifs de filtrage asymétriques 32 et
38.
[0077] La présence éventuelle d'une ligne quart d'onde 42 entre les deux dispositifs de
filtrage 32 et 38 permet en outre d'améliorer globalement les performances du filtre
d'ordre supérieur ainsi constitué, en termes de bande passante.
[0078] Un troisième mode de réalisation d'un dispositif de filtrage différentiel selon l'invention
est représenté schématiquement sur la figure 6. Ce dispositif de filtrage 10" comporte
une paire de résonateurs 12" et 14", couplés entre eux par couplage capacitif et disposés
sur une même face plane 16 d'un substrat diélectrique.
[0079] Dans ce troisième mode de réalisation, les deux résonateurs 12" et 14" sont symétriques
par rapport à un axe normal au plan P situé sur la face plane 16. Par conséquent,
la distance e
1 séparant les deux bandes conductrices LE1 et LE2 du premier résonateur 12" est égale
à la distance e
2 séparant les deux bandes conductrices LS1 et LS2 du second résonateur 14". En variante,
dans un autre mode de réalisation, ces deux distances pourraient être différentes,
comme dans le deuxième mode de réalisation, pour que le dispositif de filtrage remplisse
en outre une fonction d'adaptation d'impédances.
[0080] En revanche, ce troisième mode de réalisation se distingue des premier et deuxième
modes de réalisation par la forme générale des bandes conductrices repliées.
[0081] En effet, dans ce mode de réalisation, les quatre bandes conductrices sont de forme
générale annulaire, leurs extrémités étant repliées à l'intérieur de cette forme générale
annulaire sur une portion de longueur prédéterminée de celles-ci, mais elles sont
plus précisément de forme générale carrée. En outre, chacune d'entre elles comporte
des repliement supplémentaires sur au moins une partie des côtés de la forme générale
carrée.
[0082] Par exemple, la bande conductrice LE1 comporte trois repliements supplémentaires
LE1
8, LE1
9 et LE1
10 dans les trois côtés de la forme générale carrée ne comportant pas le repliement
de ses deux extrémités. Pour améliorer la compacité de l'ensemble, les trois repliements
supplémentaires sont dirigés vers l'intérieur de la forme générale carrée. Ils sont
par exemple en forme de créneau. Par symétrie, les bandes conductrices LE2, LS1 et
LS2 comportent les mêmes repliements supplémentaires, référencés LE2
8, LE2
9 et LE2
10 pour la bande conductrice LE2 ; LS1
8, LS1
9 et LS1
10 pour la bande conductrice LS1 ; LS2
8, LS2
9 et LS2
10 pour la bande conductrice LS2.
[0083] Dans ce mode de réalisation, la forme générale carrée de chaque bande conductrice
LE1, LE2, LS1 et LS2 implique une forme générale carrée du dispositif de filtrage
10". La compacité de ce dernier est donc optimale.
[0084] De plus, les repliements supplémentaires créent des couplages capacitifs et magnétiques
supplémentaires susceptibles d'améliorer davantage les performances du dispositif
de filtrage 10".
[0085] Comme indiqué précédemment, la longueur L du repliement des deux extrémités de chaque
bande conductrice à l'intérieur de sa forme générale carrée peut être réglée de manière
à régler la largeur de bande du dispositif de filtrage 10".
[0086] Dans cette topologie carrée, on obtient par exemple des dimensions du dispositif
de filtrage 10" voisines de λ/20 par côté. On notera qu'un dispositif de filtrage
selon l'invention n'est pas limité aux modes de réalisation décrits ci-dessus. D'autres
formes géométriques sont envisageables pour un dispositif de filtrage selon l'invention,
à partir du moment où elles prévoient un repliement de chaque bande conductrice de
chaque résonateur sur elle-même de manière à former un couplage capacitif entre ses
deux extrémités.
[0087] Les figures 7 à 9 illustrent schématiquement trois exemples d'antennes dipôles filtrantes
différentielles intégrant chacune avantageusement au moins un dispositif de filtrage
tel que ceux décrits précédemment.
[0088] L'antenne dipôle filtrante 50 représentée sur la figure 7 comporte d'une part un
dipôle électrique rayonnant 52 et d'autre part un dispositif de filtrage 54 tel que
celui décrit en référence à la figure 1. Le dipôle électrique 52 est plus précisément
un dipôle épais coplanaire gravé sur un substrat et dont la structure rayonnante est
de forme elliptique. Ce type de dipôle est à très large bande passante. La bande passante
relative définie par la relation λf/f
0, où Δf est la largeur de la bande passante et f
0 la fréquence centrale de fonctionnement de l'antenne, peut dépasser 100 %.
[0089] Les deux bras du dipôle 52 sont directement connectés aux deux conducteurs du port
de sortie du dispositif de filtrage 54. En variante, le dipôle 52 et le dispositif
de filtrage 54 pourraient être connectés par l'intermédiaire d'une ligne quart d'onde
: cela permettrait d'obtenir une antenne filtrante à performance améliorée. Les deux
conducteurs du port d'entrée du dispositif de filtrage 54 sont quant à eux destinés
à être alimentés en signal différentiel.
[0090] L'antenne dipôle filtrante 60 représentée sur la figure 8 comporte d'une part un
dipôle électrique rayonnant 62 et d'autre part un ensemble de filtrage comportant
deux dispositifs de filtrage 64 et 66 tels que celui décrit en référence à la figure
6. Le dipôle électrique 62 est plus précisément un dipôle épais coplanaire gravé sur
un substrat et dont la structure rayonnante est de forme « papillon ». Plus précisément,
la structure rayonnante du dipôle présente une partie fine, dans une zone centrale
de l'antenne comportant la connexion aux dispositifs de filtrage 64 et 66, qui s'élargit
vers l'extérieur de l'antenne des deux côtés du dipôle. Ce type de dipôle rayonnant
est à bande passante moyenne. Sa bande passante relative Δf/f
0 est de l'ordre de 20 %.
[0091] Les deux bras du dipôle 62 sont directement connectés aux deux conducteurs du port
de sortie du premier dispositif de filtrage 64. En variante, le dipôle 62 et le premier
dispositif de filtrage 64 pourraient être connectés par l'intermédiaire d'une ligne
quart d'onde.
[0092] Les deux conducteurs du port d'entrée du premier dispositif de filtrage 64 sont directement
connectés aux deux conducteurs du port de sortie du second dispositif de filtrage
66. En variante également, le premier dispositif de filtrage 64 et le second dispositif
de filtrage 66 pourraient être connectés par l'intermédiaire d'une ligne quart d'onde
pour obtenir un filtre d'ordre supérieur à performance améliorée. Les deux conducteurs
du port d'entrée du second dispositif de filtrage 66 sont quant à eux destinés à être
alimentés en signal différentiel.
[0093] Enfin, l'antenne dipôle filtrante 70 représentée sur la figure 9 comporte d'une part
un dipôle électrique rayonnant 72 et d'autre part un ensemble de filtrage comportant
deux dispositifs de filtrage 74 et 76 identiques aux deux dispositifs 64 et 66. Le
dipôle électrique 72 est plus précisément un dipôle épais coplanaire gravé sur un
substrat et dont la structure rayonnante est de forme « papillon ». Il diffère cependant
du dipôle électrique 62 notamment en ce que les deux extrémités larges de sa structure
rayonnante, orientées vers l'extérieur de l'antenne, sont conformées pour intégrer
dans leurs dimensions extérieures (i.e. plus grande longueur et plus grande largeur)
les deux dispositifs de filtrage 74 et 76. Il en résulte un gain supplémentaire en
compacité de l'antenne filtrante 70 par rapport à l'antenne filtrante 60.
[0094] Par ailleurs, comme dans l'exemple précédent :
- les deux bras du dipôle 72 sont directement connectés aux deux conducteurs du port
de sortie du premier dispositif de filtrage 74,
- les deux conducteurs du port d'entrée du premier dispositif de filtrage 74 sont directement
connectés aux deux conducteurs du port de sortie du second dispositif de filtrage
76, et
- les deux conducteurs du port d'entrée du second dispositif de filtrage 76 sont quant
à eux destinés à être alimentés en signal différentiel.
[0095] A nombre de dispositifs de filtrage constant, une antenne dipôle filtrante différentielle
selon l'invention est plus petite qu'une antenne correspondante classique, grâce à
la meilleure compacité des dispositifs de filtrage utilisés. De façon alternative,
à taille globale constante, une antenne dipôle filtrante différentielle selon l'invention
est plus performante parce qu'elle peut comporter un plus grand nombre de dispositifs
de filtrage permettant de réaliser un filtrage d'ordre encore plus élevé, donc plus
performant en terme de bande passante.
[0096] Il apparaît clairement qu'un dispositif de filtrage tel que l'un de ceux décrits
précédemment peut atteindre une compacité bien meilleure que celle des filtres différentiels
connus réalisés en technologie CPS, tout en conservant leurs avantages.
[0097] Compte tenu des bandes de fréquences dans lesquelles il peut fonctionner, il est
particulièrement adapté aux nouveaux protocoles de radiocommunication qui requièrent
des bandes passantes très larges. Sa compacité et ses hautes performances le rendent
en outre avantageux pour des objets miniatures communicants.
[0098] La structure coplanaire de ce dispositif de filtrage facilite en outre sa réalisation
en technologie hybride et son intégration en technologie monolithique avec des structures
comportant des éléments discrets montés en surface. Notamment, il est simple de le
concevoir en intégration avec une antenne dipôle différentielle à structure rayonnante
coplanaire large bande, comme cela a été illustré par plusieurs exemples, par gravure
chimique ou mécanique sur des substrats à faible ou haute permittivité selon les applications
et performances voulues.
[0099] Ce dispositif de filtrage peut aussi trouver des applications dans la bande des fréquences
millimétriques où sa faible taille et ses fortes performances lui permettent d'être
intégré en technologie monolithique avec des antennes et des circuits actifs.
[0100] Enfin, plus spécifiquement, la possibilité de régler différemment les impédances
d'entrée et de sortie de ce filtre, conformément au deuxième mode de réalisation décrit,
permet d'envisager la conception conjointe de ce type de dispositif de filtrage avec
des antennes et des circuits actifs présentant des impédances différentes.
1. Dispositif (10 ; 10' ; 10") de filtrage différentiel à résonateurs couplés, comportant
une paire de résonateurs (12, 14) couplés disposés sur une même face (16) d'un substrat
diélectrique, chaque résonateur (12, 14) comportant deux bandes conductrices (LE1,
LE2, LS1, LS2) positionnées de façon symétrique par rapport à un plan (P) perpendiculaire
à la face (16) sur laquelle est disposé le résonateur (12, 14), ces deux bandes conductrices
(LE1, LE2, LS1, LS2) étant raccordées respectivement à deux conducteurs (E1, E2, S1,
S2) d'un port bi-ruban de connexion à une ligne de transmission d'un signal différentiel,
caractérisé en ce que chaque bande conductrice (LE1, LE2, LS1, LS2) de chaque résonateur (12, 14) est repliée
sur elle-même de manière à former un couplage capacitif entre ses deux extrémités,
et en ce que les deux résonateurs (12, 14) de la paire sont couplés par la disposition en vis
à vis de leurs bandes conductrices (LE1, LE2, LS1, LS2) respectives disposées du même
côté par rapport audit plan de symétrie (P), sur des portions de longueur respectives
de ces bandes conductrices repliées.
2. Dispositif de filtrage différentiel (10 ; 10' ; 10") selon la revendication 1, dans
lequel chaque bande conductrice (LE1, LE2, LS1, LS2) de chaque résonateur (12, 14)
est de forme générale annulaire, ses extrémités étant repliées à l'intérieur de la
forme générale annulaire sur une portion de longueur (L) prédéterminée de celles-ci,
le repliement des extrémités étant situé sur une portion de la bande conductrice disposée
en vis-à-vis de l'autre bande conductrice du résonateur.
3. Dispositif de filtrage différentiel (10 ; 10' ; 10") selon la revendication 2, dans
lequel chaque bande conductrice (LE1, LE2, LS1, LS2) de chaque résonateur (12, 14)
est de forme générale rectangulaire.
4. Dispositif de filtrage différentiel (10 ; 10' ; 10") selon la revendication 3, dans
lequel chaque bande conductrice (LE1, LE2, LS1, LS2) de chaque résonateur (12, 14)
est de forme générale carrée.
5. Dispositif de filtrage différentiel (10 ; 10' ; 10") selon la revendication 3 ou 4,
dans lequel au moins une partie des portions de bande conductrice formant les côtés
de la forme générale rectangulaire ou carrée de chaque bande conductrice (LE1, LE2,
LS1, LS2) comporte des repliements supplémentaires (LE18, LE19, LE110, LE28, LE29, LE210, LS18, LS19, LS110, LS28, LS29, LS210).
6. Dispositif de filtrage différentiel (10 ; 10' ; 10") selon la revendication 5, dans
lequel les repliements supplémentaires (LE18, LE19, LE110, LE28, LE29, LE210, LS18, LS19, LS110, LS28, LS29, LS210) sont dirigés vers l'intérieur de la forme générale rectangulaire ou carrée.
7. Dispositif de filtrage différentiel (10 ; 10' ; 10") selon l'une quelconque des revendications
1 à 6, dans lequel les deux bandes conductrices (LE1, LE2, LS1, LS2) de l'un (12,
14) des deux résonateurs sont distantes d'une première distance (e1, e2) entre elles et les deux bandes conductrices (LS1, LS2, LE1, LE2) de l'autre (14,
12) des deux résonateurs sont distantes d'une seconde distance (e2, e1) entre elles, cette seconde distance (e2, e1) étant différente de la première distance (e1, e2) de sorte que le dispositif de filtrage (10, 10', 10") remplisse une fonction supplémentaire
d'adaptation d'impédance par présentation d'une impédance de sortie différente de
son impédance d'entrée.
8. Antenne dipôle filtrante différentielle (50 ; 60 ; 70) comportant au moins un dispositif
de filtrage (54 ; 64, 66 ; 74, 76) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.
9. Antenne dipôle filtrante différentielle (70) selon la revendication 8, comportant
une structure rayonnante (72) conformée pour intégrer dans ses dimensions extérieures
ledit dispositif de filtrage (74, 76).