Filtre passe bande accordable en fréquence pour onde hyperfréquence

Abstract

 L'invention concerne un filtre passe bande (100) pour onde hyperfréquence accordable en fréquence et présentant une fréquence centrale, l'onde hyperfréquence se propageant selon un axe Z, le filtre comprenant un résonateur d'entrée comprenant une cavité d'entrée (C1) métallique et un élément diélectrique d'entrée (E1), disposé à l'intérieur de la cavité d'entrée et apte à perturber le mode de résonance de l'onde hyperfréquence dans la cavité d'entrée, un résonateur de sortie comprenant une cavité de sortie (CN) métallique et un élément diélectrique de sortie (EN), disposé à l'intérieur de la cavité de sortie, et apte à perturber le mode de résonance de l'onde hyperfréquence dans la cavité de sortie, un moyen d'excitation d'entrée (S1) de forme allongée pénétrant dans la cavité d'entrée (C1) pour permettre à l'onde hyper fréquence de pénétrer dans la cavité d'entrée, un moyen d'excitation de sortie (SN) de forme allongée pénétrant dans la cavité de sortie (CN) pour permettre à l'onde hyper fréquence de sortir de la cavité de sortie, les résonateurs d'entré et de sortie étant couplés, caractérisé en ce que les éléments diélectriques d'entrée (E1) et de sortie (EN) présentent un évidement (41,42), le moyen d'excitation d'entrée (S1) pénètre à l'intérieur de l'évidement (41) de l'élément diélectrique d'entrée (E1) de manière à ce que l'élément diélectrique d'entrée (E1) perturbe le champ électromagnétique à proximité du moyen d'excitation d'entrée (S1), le moyen d'excitation de sortie (SN) pénètre à l'intérieur de l'évidement (42) de l'élément diélectrique de sortie (EN) de manière à ce que l'élément diélectrique de sortie (EN) perturbe le champ électromagnétique à proximité du moyen d'excitation de sortie (SN), l'élément diélectrique d'entrée (E1) est apte à effectuer une rotation autour d'un axe de rotation d'entrée (X1), l'évidement (41) étant adapté pour permettre la rotation de l'élément diélectrique (E1) tout en maintenant l'élément d'excitation d'entrée (S1) à l'intérieur de l'évidement (41), l'élément diélectrique de sortie (EN) est apte à effectuer une rotation autour d'un axe de rotation de sortie (XN), l'évidement (42) étant adapté pour permettre la rotation de l'élément diélectrique (E2) tout en maintenant l'élément d'excitation de sortie (SN) à l'intérieur de l'évidement (42), les rotations des éléments diélectriques (E1,EN) permettant la modification de la fréquence centrale du filtre.

Description

DOMAINE DE L'INVENTION

[0001] La présente invention concerne le domaine des filtres en fréquence dans le domaine des ondes hyperfréquences, typiquement de fréquences comprises entre 1 GHz à 30GHz. Plus particulièrement la présente invention concerne les filtres passe bande accordables en fréquence.

ETAT DE LA TECHNIQUE

[0002] Le traitement d'une onde hyperfréquence, par exemple reçue par un satellite, nécessite le développement de composants spécifiques, permettant la propagation, l'amplification, et le filtrage de cette onde.

[0003] Par exemple une onde hyperfréquence reçue par un satellite doit être amplifiée avant d'être renvoyée vers le sol. Cette amplification n'est possible qu'en séparant l'ensemble des fréquences reçues en canaux, correspondant chacun à une bande de fréquence donnée. L'amplification est alors réalisée canal par canal. La séparation des canaux nécessite le développement de filtres passe-bandes.

[0004] Le développement des satellites et la complexité accrue du traitement du signal à effectuer, par exemple une reconfiguration des canaux en vol, a conduit à la nécessité de mettre en oeuvre de filtres passe bande accordables en fréquence, c'est-à-dire pour lesquels il est possible de régler la fréquence centrale de filtrage couramment dénommée fréquence d'accord du filtre.

[0005] Une des technologies connues de filtres passe-bande accordables dans le domaine des ondes hyperfréquence est l'utilisation de composants semiconducteurs passifs, tel que des diodes PIN, des capacités continument variables ou des commutateurs capacitifs. Une autre technologie est l'utilisation de MEMS (pour micro systèmes électromécaniques) de type ohmiques ou capacitifs.

[0006] Ces technologies sont complexes, consommatrices d'énergie électrique et peu fiables. Ces solutions sont également limitées au niveau de la puissance de signal traité. De plus l'accordabilité en fréquence a pour conséquence une dégradation significative des performances du filtre, tel que son facteur de qualité Q.

[0007] Par ailleurs, la technologie des filtres à base d'éléments diélectriques est connue. Elle permet de réaliser des filtres passe bande non accordables.

[0008] La figure 1 décrit un exemple de filtre à base d'éléments diélectriques pour onde hyperfréquence non accordable.

[0009] Un moyen d'excitation d'entrée 10 introduit l'onde dans la cavité, cet élément est typiquement un milieu conducteur tel un câble (ou sonde) coaxial.

[0010] La cavité 13 est une cavité fermée constituée de métal, typiquement de l'aluminium ou de l'invar.

[0011] Un moyen d'excitation de sortie 11, typiquement un milieu conducteur tel un câble (ou sonde) coaxial, permet de faire sortir l'onde de la cavité.

[0012] L'élément diélectrique 12 est de forme ronde ou carrée et disposé à l'intérieur de la cavité métallique 13. Le matériau diélectrique est typiquement de la zircone, de l'alumine ou du BMT.

[0013] Un filtre comprend typiquement au moins un résonateur comprenant une cavité métallique et un élément diélectrique. Un mode de résonance du filtre correspond à une distribution particulière du champ électromagnétique qui est excité à une fréquence particulière.

[0014] Un filtre passe-bande permet la propagation d'une onde sur une certaine plage de fréquence et atténue cette onde pour les autres fréquences. On définit ainsi une bande passante et une fréquence centrale du filtre. Pour des fréquences autour de sa fréquence centrale, un filtre passe-bande présente une transmission élevée et une réflexion faible.

[0015] Afin d'augmenter leur sélectivité, c'est-à-dire leur capacité à atténuer le signal hors de la bande passante, ces filtres peuvent être composés d'une pluralité de résonateurs couplés entre eux.

[0016] La fréquence centrale et la bande passante du filtre dépendent à la fois de la géométrie des cavités et des éléments diélectriques, ainsi que du couplage des résonateurs entre eux ainsi que des couplages aux moyens d'excitation d'entrée et de sortie du filtre.

[0017] Des moyens de couplages sont par exemple des ouvertures ou fentes dénommées iris, des sondes électriques ou magnétiques ou des lignes hyperfréquence.

[0018] La bande passante du filtre est caractérisée de différentes manières suivant la nature du filtre.

[0019] Le paramètre S est un paramètre qui rend compte des performances du filtre en termes de réflexion et de transmission. S11, ou S22, correspond à une mesure de la réflexion et S12, ou S21, à une mesure de la transmission.

[0020] Un filtre réalise une fonction de filtrage. Cette fonction peut généralement s'approximer via des modèles mathématiques (des fonctions itératives comme des fonctions Chebychev, Bessel, ...). Ces fonctions sont généralement fondées sur des rapports de polynômes.

[0021] Pour un filtre réalisant une fonction de filtrage de type Chebychev ou Chebychev généralisé, la bande passante du filtre est déterminée à équi-ondulation du S11 (ou S22), par exemple à 15dB ou 20 dB de réduction de la réflexion par rapport à son niveau hors bande. Pour un filtre réalisant une fonction de type Bessel, on prend la bande à -3dB (lorsque S21 croise S11).

[0022] Un exemple de caractéristique des paramètres S11 et S12 d'un filtre est illustré figure 2. La courbe 21 correspond à la réflexion S11 de l'onde sur le filtre en fonction de sa fréquence. La bande passante équi-ondulation à 20 dB de réflexion est notée 26. Le filtre présente une fréquence centrale correspondant à la fréquence du milieu de la bande passante. La courbe 22 de la figure 2 correspond à la transmission S12 du filtre en fonction de la fréquence. Le filtre laisse ainsi passer un signal dont la fréquence est située dans la bande passante, mais le signal est néanmoins atténué par les pertes du filtre.

[0023] L'accord du filtre permettant d'obtenir un maxima de transmission pour une bande de fréquence donnée est très délicat à réaliser et dépend de l'ensemble des paramètres du filtre. Il est de plus dépendant de la température.

[0024] Afin d'effectuer un réglage du filtre pour obtenir une fréquence centrale précise du filtre, les fréquences de résonance des résonateurs du filtre peuvent être très légèrement modifiée à l'aide de vis métalliques, mais ce procédé effectué de manière empirique, est très couteux en temps et ne permet qu'une très faible accordabilité en fréquence, typiquement de l'ordre de quelques %. Dans ce cas, l'objectif n'est pas l'accordabilité mais l'obtention d'une valeur précise de la fréquence centrale, et l'on souhaite obtenir une sensibilité réduite de la fréquence de chaque résonateur vis-à-vis de la profondeur de la vis.

[0025] La symétrie circulaire ou carrée des résonateurs simplifie la conception du filtre et la sélection du mode (TE pour Transverse Electrique ou TM pour Transverse Magnétique) qui se propage dans le filtre.

[0026] Le document US 7705694 décrit un filtre accordable en bande passante composé d'une pluralité de résonateurs diélectriques couplés entre eux, de forme non uniforme radialement et uniforme selon un axe z perpendiculaire à la direction de propagation. Chaque résonateur est apte à effectuer une rotation autour de l'axe z entre deux positions, qui induit un changement de la valeur de la largeur de la bande passante, typiquement de 51 Mz à 68 Mz. Ce dispositif permet une accordabilité sur la valeur de la largeur de la bande passante du filtre, mais pas sur sa fréquence centrale.

BUT DE L'INVENTION

[0027] La présente invention a pour but de réaliser des filtres accordables en fréquence centrale ne présentant pas les inconvénients précités.

DESCRIPTION DE L'INVENTION

[0028] A cet effet l'invention a pour objet un filtre passe bande (100) pour onde hyperfréquence accordable en fréquence et présentant une fréquence centrale, l'onde hyperfréquence se propageant selon un axe Z, le filtrecomprenant :

• un résonateur d'entrée comprenant une cavité d'entrée métallique et un élément diélectrique d'entrée, disposé à l'intérieur de la cavité d'entrée et apte à perturber le mode de résonance de l'onde hyperfréquence dans la cavité d'entrée,

• un résonateur de sortie comprenant une cavité de sortie métallique et un élément diélectrique de sortie, disposé à l'intérieur de la cavité de sortie, et apte à perturber le mode de résonance de l'onde hyperfréquence dans la cavité de sortie, un moyen d'excitation d'entrée de forme allongée pénétrant dans la cavité d'entrée pour permettre à l'onde hyper fréquence de pénétrer dans la cavité d'entrée, un moyen d'excitation de sortie de forme allongée pénétrant dans la cavité de sortie pour permettre à l'onde hyper fréquence de sortir de la cavité de sortie, les résonateurs d'entré et de sortie étant couplés, caractérisé en ce que :
• les éléments diélectriques d'entrée et de sortie présentent un évidement
• le moyen d'excitation d'entrée de forme allongée selon l'axe Z pénètre à l'intérieur de l'évidement de l'élément diélectrique d'entrée de manière à ce que l'élément diélectrique d'entrée perturbe le champ électromagnétique à proximité du moyen d'excitation d'entrée,
• le moyen d'excitation de sortie de forme allongée selon l'axe Z pénètre à l'intérieur de l'évidement de l'élément diélectrique de sortie de manière à ce que l'élément diélectrique de sortie perturbe le champ électromagnétique à proximité du moyen d'excitation de sortie,
• l'élément diélectrique d'entrée est apte à effectuer une rotation autour d'un axe de rotation d'entrée, l'évidement étant adapté pour permettre la rotation de l'élément diélectrique tout en maintenant l'élément d'excitation d'entrée à l'intérieur de l'évidement,-l'élément diélectrique de sortie est apte à effectuer une rotation autour d'un axe de rotation de sortie, l'évidement étant adapté pour permettre la rotation de l'élément diélectrique tout en maintenant l'élément d'excitation de sortie à l'intérieur de l'évidement,
• chaque élément diélectrique présente une forme aplatie présentant une hauteur inférieure d'au moins un facteur 3 à la plus petite dimension extérieure dans un plan perpendiculaire à la direction portant la hauteur,
• les rotations des éléments diélectriques permettant la modification de la fréquence centrale du filtre.

[0029] Selon un mode de réalisation, l'élément diélectrique d'entrée et l'élément diélectrique de sortie sont disposés respectivement sensiblement au centre de la cavité d'entrée et de la cavité de sortie.

[0030] Avantageusement, les éléments diélectrique d'entrée et de sortie sont en forme de U.

[0031] Selon un mode de réalisation, le filtre comprend des moyens de couplage adaptés pour coupler les résonateurs d'entrée et de sortie directement.
Selon un mode de réalisation, le filtre comprend en outre au moins un résonateur intermédiaire disposé en série entre le résonateur d'entrée et le résonateur de sortie, comprenant une cavité métallique intermédiaire et un élément diélectrique intermédiaire disposé à l'intérieur de la cavité et apte à perturber le mode de résonance de l'onde hyperfréquence dans la cavité, chaque élément diélectrique présentant une forme aplatie présentant une hauteur inférieure d'au moins un facteur 3 à la plus petite dimension dans un plan perpendiculaire à la direction portant la hauteur et étant apte à effectuer une rotation autour d'un axe de rotation intermédiaire, le filtre comprenant des moyens de couplage adaptés pour coupler les résonateurs intermédiaires deux à deux en série.

[0032] Avantageusement, les moyens de couplage sont des fentes. Avantageusement, les éléments diélectriques présentent une position angulaire identique correspondant à une rotation identique, une valeur de l'angle de rotation correspondant à une valeur de fréquence centrale du filtre. Avantageusement, les axes de rotation sont parallèles entre eux. Avantageusement, les axes de rotation sont perpendiculaires à l'axe Z. Avantageusement, les éléments diélectriques intermédiaires sont sensiblement identiques.
Selon un mode de réalisation les éléments diélectriques sont solidaires de tiges diélectriques respectives aptes à effectuer une rotation selon l'axe de rotation correspondant.
Selon un mode de réalisation, les angles de rotations sont variables en fonction de la température de manière à maintenir les valeurs des fréquences centrales constantes lors d'une variation de température. L'invention a également pour objet un circuit hyperfréquence comprenant au moins un tel filtre.

[0033] D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels :

• La figure 1 illustre un exemple de filtre à résonateur diélectrique selon l'état de la technique comprenant un résonateur.
• La figure 2 décrit la courbe de transmission et de réflexion d'un filtre passe bande.
• La figure 3 illustre les modes de résonnance d'une cavité circulaire vide.
• La figure 4 décrit un filtre selon un aspect de l'invention.
• La figure 5 décrit un filtre selon un aspect de l'invention vu en perspective.
• La figure 6 décrit la position des éléments diélectriques du filtre décrit figure 5 pour une valeur déterminée d'angle de rotation
• La figure 7 décrit la position des éléments diélectriques du filtre décrit figure 5 pour une autre valeur déterminée d'angle de rotation
• La figure 8 illustre un exemple de réalisation d'un filtre selon un aspect de l'invention comprenant trois résonateurs, pour une valeur déterminée d'angle de rotation, ainsi que la courbe fréquentielle correspondante.
• La figure 9 illustre l'exemple de réalisation d'un filtre décrit figure 8 pour une autre valeur déterminée d'angle de rotation, ainsi que la courbe fréquentielle correspondante.
• La figure 10 illustre un exemple de réalisation d'un filtre selon un aspect de l'invention comprenant six résonateurs, pour une valeur déterminée d'angle de rotation, ainsi que la courbe fréquentielle correspondante.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION

[0034] L'invention consiste à réaliser un filtre passe bande accordable en fréquence centrale par rotation d'éléments diélectriques dans des cavités métalliques, les éléments diélectriques d'entrée et de sortie présentant une forme spécifique.

[0035] Le filtre selon l'invention fonctionne selon un mode de cavité perturbée.

[0036] Une cavité métallique vide présente selon sa géométrie un ou plusieurs modes de résonance caractérisés par une fréquence f de l'onde hyperfréquence présente dans la cavité et par une distribution particulière du champ électromagnétique. Par exemple des modes de résonance TE (pour Transverse Electrique) ou TM (pour Transverse Magnétiques) présentant un certains nombres de maximas d'énergie repérés par des indices, peuvent être excités dans une cavité métallique vide. La figure 3 décrit à titre d'exemple les différents modes de résonance pour une cavité circulaire vide en fonction des dimensions de la cavité (diamètre D et hauteur H ), et de la fréquence f.

[0037] Une cavité contenant un élément diélectrique (dénommé élément perturbateur) perturbant le champ électromagnétique à l'intérieur de la cavité est également apte à résonner.

[0038] La figure 4 décrit un filtre passe bande 100 accordable en fréquence selon un aspect de l'invention. L'onde hyperfréquence se propage selon un axe Z.

[0039] Le filtre 100 comprend un résonateur d'entrée R1 comprenant une cavité d'entrée C1 métallique et un élément diélectrique d'entrée E1, disposé à l'intérieur de la cavité. L'élément diélectrique E1 est apte à perturber le mode de résonance de l'onde hyperfréquence dans la cavité d'entrée. La nature intrinsèque du mode, correspondant au mode de résonnance de la cavité sans l'élément diélectrique, n'est pas modifiée, mais le mode de la cavité est très perturbé par l'ajout de l'élément diélectrique E1. L'élément E1 ajoute un effet capacitif qui perturbe le mode de résonance de l'onde hyperfréquence dans la cavité, et modifie la fréquence de résonance du résonateur initial constitué par la cavité sans l'élément diélectrique.

[0040] Le filtre 100 comprend également un résonateur de sortie RN comprenant une cavité de sortie CN métallique et un élément diélectrique de sortie EN disposé à l'intérieur de la cavité CN. L'élément diélectrique de sortie EN a les mêmes propriétés que celles de l'élément diélectrique d'entrée E1. Avantageusement, on choisi un mode TM sur lequel il est plus aisé d'obtenir un effet capacitif. En effet il est possible d'approximer le comportement fréquentiel d'un résonateur par un circuit électrique équivalent : une association parallèle résistance-capacité-inductance (résonateur RLC). Ce circuit possède une fréquence de résonance fonction du produit L.C. Lorsqu'on joue sur l'effet capacitif, la fréquence de résonance varie.

[0041] Pour le mode TM choisi il est aisé d'ajouter un effet capacitif en augmentant la permittivité au centre du résonateur (lieu des lignes de champ E les plus fortes) comme décrit plus loin.

[0042] Pour permettre à l'onde hyperfréquence de pénétrer dans la cavité d'entrée C1, le filtre 100 comprend un moyen d'excitation d'entrée S1 de forme allongée selon l'axe Z pénétrant à l'intérieur de la cavité d'entrée C1. Ce moyen d'excitation est typiquement une sonde, telle une sonde coaxiale, de forme allongée, tel un câble.

[0043] Pour permettre à l'onde hyperfréquence de sortir de la cavité de sortie CN, le filtre 100 comprend un moyen d'excitation de sortie SN de forme allongée selon l'axe Z pénétrant à l'intérieur de la cavité de sortie CN. Ce moyen d'excitation est typiquement une sonde, telle une sonde coaxiale, de forme allongée, tel un câble.

[0044] Les cavités d'entrée et de sortie sont couplées entre elles et couplées respectivement aux moyens d'excitation d'entrée et de sortie, de manière à ce que l'onde hyperfréquence introduite par le moyen d'excitation d'entrée dans le filtre 100, se propage dans les résonateurs selon un mode de résonance, et ressorte du filtre.

[0045] Les éléments diélectriques d'entrée et de sortie selon l'invention ont une forme spécifique qui présente un évidement.

[0046] Le moyen d'excitation d'entrée pénètre à l'intérieur de l'évidement 41 de l'élément diélectrique d'entrée de manière à ce que l'élément diélectrique d'entrée perturbe le champ électromagnétique à proximité du moyen d'excitation d'entrée.

[0047] Le moyen d'excitation de sortie pénètre à l'intérieur de l'évidement 42 de l'élément diélectrique de sortie de manière à ce que l'élément diélectrique de sortie perturbe le champ électromagnétique à proximité du moyen d'excitation de sortie.

[0048] Du fait de l'existence de cette perturbation, la fréquence centrale du filtre est modifiée.

[0049] De plus, l'élément diélectrique d'entrée est apte à effectuer une rotation autour d'un axe de rotation d'entrée X1, l'évidement étant adapté pour permettre la rotation de l'élément diélectrique tout en maintenant l'élément d'excitation d'entrée à l'intérieur de l'évidement. De même, l'élément diélectrique de sortie est apte à effectuer une rotation autour d'un axe de rotation de sortie XN, l'évidement étant adapté pour permettre la rotation de l'élément diélectrique tout en maintenant l'élément d'excitation de sortie à l'intérieur de l'évidement.

[0050] Maintenir l'élément d'excitation à l'intérieur de l'évidement permet de maintenir une perturbation forte du champ électromagnétique au voisinage de l'élément tout en assurant un couplage maîtrisé entre excitation et résonateur. Ceci est indispensable à la maîtrise de la bande passante, et pour l'adaptation du filtre.

[0051] La distance entre les éléments d'excitation S1, SN et les éléments diélectriques respectifs E1, EN à l'intérieur de l'évidement est choisie en fonction du filtre souhaité. Un filtre à large bande passante nécessite un couplage fort et donc une distance aussi faible que possible, limitée par les tolérances mécaniques de fabrication et les coûts, typiquement une centaine de µm. Un filtre à bande passante étroite nécessite un couplage plus faible et donc une distance un peu plus grande, typiquement de 1 à quelques mm. Les rotations des éléments diélectriques modifient l'effet capacitif, perturbant le champ électrique de manière différente en fonction de la position angulaire des éléments diélectriques.

[0052] Selon un mode préféré le filtre fonctionne pour un mode TM. Pour un mode TM, le champ magnétique est perpendiculaire à la direction de propagation Z et le champ électrique E est colinéaire à Z. Le mode TM préféré est du type TM₀₁₀. Dans un mode de ce type, le maximum du champ électrique E est concentré au centre de la cavité du résonateur. Selon un mode préféré, les cavités des résonateurs du filtre selon l'invention sont alignées, et la direction Z correspond à l'axe passant par le centre des cavités. Le maximum de champ E est concentré au voisinage de Z. L'effet capacitif induit par la présence d'un diélectrique perturbateur est fonction de la quantité de matière diélectrique (permittivité diélectrique) « vue » par le champ E. Une augmentation de la quantité de diélectrique « vue » par le champ électrique augmente l'effet capacitif du résonateur. le contraste obtenu sur l'effet capacitif est maximisé lorsque cette variation est localisée sur un maxima de champ électrique.

[0053] Pour chaque élément diélectrique, un plan Pe est défini. Ce plan est perpendiculaire à la hauteur h (plus petite dimension) de l'élément diélectrique. Lorsque chaque plan Pe des éléments diélectriques est globalement perpendiculaire à Z, la quantité de matière traversée par le champ E au voisinage de Z est beaucoup plus faible que lorsque les plans Pe des éléments diélectrique comprennent l'axe Z. Un contraste élevé d'effet capacitif entre les deux positions est obtenu, ce qui induit une variation de fréquence centrale du filtre plus importante.

[0054] La rotation d'un élément diélectrique s'effectue selon un angle teta par rapport à un repère donné. Ainsi la valeur de la fréquence centrale du filtre fc est une fonction de l'angle tetaa que fait l'élément E1 et de l'angle tetab que fait l'élément E2.

[0055] Ainsi, une fréquence centrale correspond à une position angulaire des éléments diélectriques.

[0056] L'élément diélectrique E1 présente une forme aplatie présentant respectivement une hauteur h1 inférieure aux dimensions extérieures dans un plan Pe perpendiculaire à la direction portant la hauteur h1. On entend par dimensions extérieures les plus grandes dimensions (I1 et L1dans l'exemple de la figure 4) des éléments diélectriques ne tenant pas compte de l'évidement.

[0057] L'élément diélectrique EN présente une forme aplatie présentant respectivement une hauteur hN inférieure aux dimensions extérieures (IN et LN dans l'exemple de la figure 4) dans un plan Pe perpendiculaire à la direction portant la hauteur hN.

[0058] Cette forme aplatie permet d'obtenir une forte amplitude de la variation de l'effet capacitif entre les positons angulaires extrêmes des éléments diélectriques, comme décrit plus haut. Pour l'obtention d'une amplitude de variation d'effet capacitif suffisante pour les applications visées, la hauteur est inférieure d'au moins un facteur 3 à la plus petite dimension dans le plan Pe perpendiculaire à la direction portant la hauteur.

[0059] Selon une variante préférée, les éléments E1 et EN effectuent une rotation identique, soit tetaa = tetab. La figure 7a décrit un exemple de filtre selon l'invention lorsque E1et EN font un angle teta0 identique, et égal à 0° par convention, correspondant à une valeur de fréquence centrale fc0. La figure 7b décrit le filtre selon l'invention lorsque E1et E2 font un angle teta90 identique, et égal à 90° par rapport à la première position de E1 et E2, correspondant à une valeur de fréquence centrale fc90.

[0060] Ainsi lorsque les éléments diélectriques E1 et EN ont leur plan Pe sensiblement perpendiculaires à l'axe Z (hauteurs h1 hN selon l'axe Z correspondant à teta = 0°), la hauteur de diélectrique vue par le champ E (au centre, où il est le plus fort) est plus faible que lorsque les éléments diélectriques ont leur plan Pe comprenant sensiblement l'axe Z (hauteurs h1, hN perpendiculaires à Z correspondant à teta = 90°). Ainsi l'effet capacitif est plus faible pour la position de éléments diélectriques selon teta=0° que pour la position teta = 90°.

[0061] Ainsi, le filtre selon l'invention est un filtre passe bande dont la fréquence centrale peut être choisie dans une plage de fréquence fonction de l'orientation angulaire des éléments diélectriques. De plus, la fréquence centrale peut être choisie continument dans l'intervalle de variation.

[0062] Une correction (réajustement de la fréquence centrale) en fonction de la température est possible.

[0063] Selon un mode de réalisation, le réglage des positions angulaires s'effectue à l'aide de moyens de commande, tel qu'un moteur.

[0064] Selon une variante préférée, l'élément diélectrique d'entrée E1 et l'élément diélectrique de sortie EN sont disposés respectivement sensiblement au centre de la cavité d'entrée et de la cavité de sortie. On obtient alors une concentration maximale du champ électrique au voisinage des moyens d'excitation d'entrée et de sortie, ce qui permet d'assurer le couplage suffisant et maîtrisé des excitations avec les résonateurs 1 et N.

[0065] Selon une variante préférée, les éléments diélectriques d'entrée E1 et de sortie EN sont en forme de U. La forme comprend un corps et deux branches de manière à réaliser l'évidement 41 ou 42; les éléments diélectriques sont ainsi faciles à fabriquer. Il n'y a aucune contrainte de planéité sur la forme des éléments diélectriques.

[0066] Selon un mode de réalisation, les moyens d'excitation d'entrée et de sortie sont des sondes coaxiales disposées le long d'un même axe Z.

[0067] Selon un aspect de l'invention, le filtre ne comprend que deux résonateurs, le résonateur d'entrée R1 et le résonateur de sortie RN. Les deux résonateurs sont couplés entre eux par des moyens de couplage, tel qu'une ou plusieurs fentes. Selon une variante préférée, les diélectriques d'entrée E1 et de sortie EN sont sensiblement identiques, en forme et en matériau.

[0068] La figure 5 décrit un mode de réalisation préféré d'un aspect de l'invention pour lequel le filtre 100 comprend entre outre au moins un résonateur intermédiaire Ri, un résonateur étant indicé selon un indice i variant de 2 à N-1, fonction du nombre de résonateurs intermédiaires. La figure 5a décrit une vue en perspective du filtre.

[0069] Chaque résonateur intermédiaire Ri comprend une cavité métallique intermédiaire Ci et un élément diélectrique intermédiaire Ei disposé à l'intérieur de la cavité Ci et apte à perturber le mode de résonance de l'onde hyperfréquence dans la cavité, l'élément diélectrique Ei étant apte à effectuer une rotation autour d'un axe de rotation intermédiaire Xi.

[0070] Selon une variante préférée, chaque élément diélectrique intermédiaire Ei présente également une forme aplatie présentant une hauteur hi inférieure aux dimensions Li et li (avec li<Li pour l'exemple de la figure 5) dans un plan Pe perpendiculaire à la direction portant hi. Pour l'obtention d'une amplitude de variation d'effet capacitif suffisante pour les applications visées, la hauteur hi est inférieure d'au moins un facteur 3 à la plus petite dimension li dans le plan Pe perpendiculaire à la direction portant la hauteur hi.

[0071] Les éléments diélectriques intermédiaires présentent une forme aplatie pleine qui présente pas nécessairement d'évidement car ils sont couplés entre eux et non pas à un élément d'excitation de forme allongée comme les éléments diélectriques d'entrée et de sortie.

[0072] Les résonateurs sont couplés deux à deux i/i+1 en série, par des moyens de couplage, tel que des fentes. Ces fentes permettent de coupler à la fois une partie du champ électrique E et une partie du champ magnétique H. Un couplage par champ E a un signe opposé à un couplage par champ H. En proportions identiques, les deux couplages s'annulent. Lors de la rotation des éléments diélectriques voisins Ei/Ei+1, pour une position et une dimension de fente donnée, le couplage par champ E (ou H) varie.

[0073] Selon une variante, on détermine par optimisation les positions et les dimensions des fentes de telle sorte que la bande passante résultante soit sensiblement constante lors de la rotation des éléments diélectriques.

[0074] Le moyen d'entrée S1 est une sonde coaxiale.

[0075] Les figures 6 et 7 décrivent un exemple de deux positions angulaires des éléments diélectriques du mode de réalisation préféré de l'invention décrit figure 5.

[0076] Selon une variante préférée représentée figures 6 et 7 les axes de rotation de X1, X2 .. Xi à XN sont parallèles entre eux.

[0077] Selon une autre variante également représentée figures 6 et 7 les axes de rotation de X1, X2 .. Xi à XN sont perpendiculaires à l'axe Z. Avantageusement, les axes de rotations X1, X2 .. Xi à XN sont concourants avec l'axe Z.

[0078] Avantageusement, les éléments intermédiaires symétriques par rapport au milieu du filtre sont identiques en forme, en dimension et en matériau. Avantageusement, les éléments intermédiaires Ei sont sensiblement identiques en forme, dimension et en matériau.

[0079] Dans cette géométrie, le filtre est plus aisé à calculer et à fabriquer.

[0080] La forme rectangulaire des éléments diélectriques représentée est purement schématique et ne correspond pas à une forme préférée.

[0081] La figure 6 décrit la structure des éléments diélectriques pour une valeur de teta = 0°. La figure 6a correspond à un élément Ei intermédiaire dans une cavité Ci en vue de dessus, la figure 6b en vue de profil. La zone en pointillé 61 illustre une configuration où l'effet capacitif est faible. La figure 6c correspond à l'élément diélectrique d'entrée E1 dans la cavité C1 en vue de dessus, la figure 6d en vue de profil. La zone en pointillé 62 illustre une configuration où l'effet capacitif est faible. Sur la figure 6c l'évidement 41 et la forme en U de E1 sont visibles. A cette position teta=0°, correspondant aux éléments diélectriques positionnés perpendiculairement à l'axe Z, est associée une fréquence centrale du filtre fc0.

[0082] La figure 7 décrit la structure des éléments diélectriques pour une valeur de teta = 90°. La figure 7a correspond à un élément Ei intermédiaire dans une cavité Ci en vue de dessus, la figure 7b en vue de profil. La zone en pointillé 71 illustre une configuration où l'effet capacitif est fort. La figure 7c correspond à l'élément diélectrique d'entrée E1 dans la cavité C1 en vue de dessus, la figure 7d en vue de profil. La zone en pointillé 72 illustre une configuration où l'effet capacitif est fort. Sur la figure 7c l'évidement 41 et la forme en U de E1 sont visibles. A cette position teta=90° est associée une fréquence centrale du filtre fc90.

[0083] Des fréquences centrales intermédiaires sont obtenue pour des valeurs de teta comprises en 0° et 90°.

[0084] Préférentiellement, tous les éléments diélectriques E1, Ei, EN présentent une position angulaire identique correspondant à une rotation identique, une valeur de l'angle de rotation teta correspondant à une valeur de fréquence centrale :

[0085] Une rotation progressive et synchrone des éléments diélectriques E1, Ei, EN permet de faire varier continument la fréquence centrale fc du filtre.

[0086] Pour obtenir un changement de fréquence centrale lors de la rotation des éléments perturbateurs E1, Ei, EN, aucun de ces éléments ne présente de symétrie de révolution autour de son axe de rotation respectif.

[0087] Ainsi la rotation effectuée par chaque élément diélectrique E1, Ei, EN fait varier la quantité de matière traversée par le champ électrique E au centre des cavités des résonateurs, ce qui a pour effet de faire varier effet capacitif du résonateur.

[0088] Les figures 8 et 9 illustrent un exemple de réalisation d'un filtre selon l'invention et les caractéristiques de filtre obtenues.

[0089] Le filtre comprend 3 résonateurs R1, R2, RN comprenant des cavités C1, C2, CN de forme sensiblement carrées.

[0090] La dimension des cavités C1 et CN est de 16 mm, la dimension de C2 est de 17 mm. Les 3 cavités ont une hauteur de 4.5 mm.

[0091] Les éléments diélectriques E1, E2, EN sont en zircone. Les éléments diélectriques d'entrée E1 et de sortie EN ont une dimension de 3.8 mm x 6.1 mm x 1.2 mm. La hauteur h de 1.2 mm est faible par rapport aux autres dimensions d'environ un facteur 3 avec la plus petite des deux autres dimensions.

[0092] L'élément diélectrique intermédiaire E2 a pour dimensions 4mm x 4.1 mm x 1.2 mm (hauteur h de 1.2 mm).

[0093] Les résonateurs R2 et RN sont reliés par deux fentes de dimension 7mm x 2.5 mm, distantes de 5.5 mm. Des vis non représentées (6 par cavités) permettent un réglage fin de la résonance du mode TM et des couplages. La figure 8 correspond à une valeur d'angle teta = 0°, les éléments sont globalement perpendiculaires à l'axe Z (hauteur h selon Z, plan Pe perpendiculaire à Z), correspondant à un effet capacitif faible. La figure 8a représente une vue de profil du filtre et la figure 8b une vue en perspective. La figure 9 correspond à une valeur d'angle teta = 90° d'angle de rotation des éléments diélectriques, les éléments sont globalement parallèles à l'axe Z (hauteur h perpendiculaire à Z, plan Pe comprenant l'axe Z), correspondant à un effet capacitif fort. La figure 9a représente une vue de profil du filtre et la figure 9b une vue en perspective

[0094] Dans cet exemple, les formes aplaties des éléments diélectriques sont optimisées pour maximiser la différence d'effet capacitif et donc le décalage en fréquence.

[0095] Selon une variante préférée représentée sur les figures 8 et 9, les éléments diélectriques E1, E2, EN sont solidaires de moyens de maintient, préférentiellement de tiges respectives T1, T2, TN également en matériau diélectrique aptes à effectuer une rotation

[0096] Avantageusement une tige et l'élément diélectrique qui lui est solidaire forment un bloc unique d'un même matériau diélectrique qui est fabriqué d'une pièce. Dans ce cas , et plus généralement lorsque la tige est en matériau diélectrique, elle contribue à l'effet perturbateur de l'élément diélectrique. Préférentiellement les tiges Ti traversent de part en part l'élément pertubateur associé Ei ainsi que la cavité Ci, ce qui assure un meilleur maintien mécanique de l'élément diélectrique dans la cavité qu'avec un seul point de maintient.

[0097] Ces tiges peuvent effectuer une rotation selon l'axe de rotation correspondant X1, X2, XN à l'aide d'une liaison pivot avec les parois de la cavité C1, C2, CN dans laquelle elles se trouvent. Il y a ainsi moins d'étapes technologiques pour la fabrication du filtre.

[0098] La figure 8c illustre le comportement fréquentiel du filtre passe bande obtenu pour teta = 0°. La courbe S21 (0°) correspond à la transmission du filtre et la courbe S11 (0°) à la réflexion. La bande passante à -20 dB est deltaf(0°) et la fréquence centrale fc(0°) est égale à 11.5 GHz.

[0099] La figure 9c illustre le comportement fréquentiel du filtre passe bande obtenu pour teta = 90°. La courbe S21(90°) correspond à la transmission du fil et la courbe S11 (90°) à la réflexion. La bande passante à -20 dB est deltaf(90°) et la fréquence centrale fc(90°) est égale à 9.65 GHz.

[0100] Ainsi par rotation d'un angle de 90°, la fréquence centrale s'est modifiée de 9.65 GHz à 11.5 GHz.

[0101] La figure 10 illustre un autre mode de réalisation d'un filtre selon l'invention dans le même esprit que le filtre décrit figures 8 et 9. La figure 10a décrit une vue en perspective du filtre pour des éléments diélectriques globalement parallèles à l'axe Z et la figure 10b décrit une vue en perspective du filtre pour des éléments diélectriques globalement perpendiculaires à l'axe Z. le filtre comprend 6 résonateurs. La figure 10c décrit la transmission du filtre S12 pour différentes postions angulaires des éléments diélectriques entre 0° et 90°. La fréquence centrale varie en fonction de l'angle d'inclinaison des éléments diélectriques, entre 9.65 GHz et 11.5 GHz.

[0102] L'adaptation est de l'ordre de 15 dB et les pertes du filtre comprises entre 0.3 et 0.5 dB quel que soit la valeur de l'angle de rotation.

[0103] Pour les filtres selon l'invention, l'entrée et la sortie jouent un rôle symétrique.

[0104] Les variations de température (typiquement quelques dizaines de degrés) dans le filtre induisent des fluctuations dans les dimensions des cavités et des éléments diélectriques, ce qui génère des variations de fréquence centrale pour une même géométrie de filtre.

[0105] Selon un mode de réalisation du filtre selon l'invention, des angles de rotations des éléments diélectriques présentent des valeurs variables en fonction de la température de manière à corriger les effets de la température sur les fréquences centrales et donc maintenir les valeurs de ces fréquences centrales constantes lors d'une variation de température.

[0106] Préférentiellement, chaque valeur de fréquence centrale correspond à un angle de rotation identique pour tous les éléments diélectriques du filtre selon l'invention et la valeur de cet angle est asservie en température de manière à maintenir la fréquence centrale à une valeur déterminée indépendante de la température.

[0107] Selon un autre aspect, l'invention porte également sur un circuit hyperfréquence comprenant au moins un filtre selon l'invention.

Revendications

1. Filtre passe bande (100) pour onde hyperfréquence accordable en fréquence et présentant une fréquence centrale (fc), l'onde hyperfréquence se propageant selon un axe Z, le filtre comprenant

- un résonateur d'entrée (R1) comprenant une cavité d'entrée (C1) métallique et un élément diélectrique d'entrée (E1) , disposé à l'intérieur de la cavité d'entrée et apte à perturber le mode de résonance de l'onde hyperfréquence dans la cavité d'entrée,

- un résonateur de sortie (RN) comprenant une cavité de sortie (CN) métallique et un élément diélectrique de sortie (EN), disposé à l'intérieur de la cavité de sortie, et apte à perturber le mode de résonance de l'onde hyperfréquence dans la cavité de sortie,

- un moyen d'excitation d'entrée (S1) de forme allongée selon l'axe Z pénétrant dans la cavité d'entrée (C1) pour permettre à l'onde hyper fréquence de pénétrer dans la cavité d'entrée,

- un moyen d'excitation de sortie (SN) de forme allongée selon l'axe Z pénétrant dans la cavité de sortie (CN) pour permettre à l'onde hyper fréquence de sortir de la cavité de sortie,

- les résonateurs d'entré (R1) et de sortie (RN) étant couplés,
caractérisé en ce que :

- les éléments diélectriques d'entrée (E1) et de sortie (EN) présentent un évidement (41,42),

- le moyen d'excitation d'entrée (S1) pénètre à l'intérieur de l'évidement (41) de l'élément diélectrique d'entrée (E1) de manière à ce que l'élément diélectrique d'entrée (E1) perturbe le champ électromagnétique à proximité du moyen d'excitation d'entrée (S1),

- le moyen d'excitation de sortie (SN) pénètre à l'intérieur de l'évidement (42) de l'élément diélectrique de sortie (EN) de manière à ce que l'élément diélectrique de sortie (EN) perturbe le champ électromagnétique à proximité du moyen d'excitation de sortie,

- l'élément diélectrique d'entrée (E1) est apte à effectuer une rotation autour d'un axe de rotation d'entrée (X1), l'évidement (41) étant adapté pour permettre la rotation de l'élément diélectrique (E1) tout en maintenant l'élément d'excitation d'entrée (S1) à l'intérieur de l'évidement (41),

- l'élément diélectrique de sortie (EN) est apte à effectuer une rotation autour d'un axe de rotation de sortie (XN), l'évidement (42) étant adapté pour permettre la rotation de l'élément diélectrique (E2) tout en maintenant l'élément d'excitation de sortie (SN) à l'intérieur de l'évidement (42),

- chaque élément diélectrique (E1, EN) présente une forme aplatie présentant une hauteur inférieure d'au moins un facteur 3 à la plus petite dimension extérieure dans un plan perpendiculaire à la direction portant la hauteur,

- les rotations des éléments diélectriques (E1, EN) permettant la modification de la fréquence centrale du filtre.

2. Filtre selon la revendication dans lequel l'élément diélectrique d'entrée (E1) et l'élément diélectrique de sortie (EN) sont disposés respectivement sensiblement au centre de la cavité d'entrée (C1) et de la cavité de sortie (CN).

3. Filtre selon l'une des revendications précédentes dans lequel les éléments diélectrique d'entrée (E1) et de sortie (EN) sont en forme de U.

4. Filtre selon l'une des revendications précédentes comprenant des moyens de couplage adaptés pour coupler les résonateurs d'entrée (R1) et de sortie (RN) directement.

5. Filtre selon l'une des revendications 1 à 3 comprenant en outre au moins un résonateur intermédiaire (Ri) disposé en série entre le résonateur d'entrée (R1) et le résonateur de sortie (RN), comprenant une cavité métallique intermédiaire (Ci) et un élément diélectrique intermédiaire (Ei) disposé à l'intérieur de la cavité (Ci) et apte à perturber le mode de résonance de l'onde hyperfréquence dans la cavité, chaque élément diélectrique (Ei) présentant une forme aplatie présentant une hauteur inférieure d'au moins un facteur 3 à la plus petite dimension dans un plan perpendiculaire à la direction portant la hauteur et étant apte à effectuer une rotation autour d'un axe de rotation intermédiaire (Xi), ledit filtre comprenant des moyens de couplage adaptés pour coupler les résonateurs intermédiaires deux à deux en série.

6. Filtre selon l'une des revendications précédentes dans lequel les moyens de couplage sont des fentes.

7. Filtres selon l'une des revendications précédentes dans lequel les éléments diélectriques (R1, RN, Ri) présentent une position angulaire identique correspondant à une rotation identique, une valeur de l'angle de rotation correspondant à une valeur de fréquence centrale du filtre.

8. Filtre selon l'une des revendications précédentes dans lequel les axes de rotation (X1, XN, Xi) sont parallèles entre eux.

9. Filtre selon l'une des revendications précédentes dans lequel les axes de rotation (X1, XN, Xi) sont perpendiculaires à l'axe Z.

10. Filtre selon l'une des revendications 5 à 9 dans lequel les éléments diélectriques intermédiaires (Ei) sont sensiblement identiques.

11. Filtre selon l'une des revendications précédentes dans lequel les éléments diélectriques (E1, EN, Ei) sont solidaires de tiges diélectriques respectives (T1, TN, Ti) aptes à effectuer une rotation selon l'axe de rotation correspondant (X1, XN, Xi).

12. Filtre selon l'une des revendications précédentes dans lequel des angles de rotations sont variables en fonction de la température de manière à maintenir les valeurs des fréquences centrales constantes lors d'une variation de température.

13. Circuit hyperfréquence comprenant au moins un filtre selon l'une des revendications précédentes.

Dessins