La présente invention concerne un dispositif de filtrage à structure de bandes électriquement conductrices. Elle concerne également un ensemble filtrant comportant plusieurs dispositifs de filtrage de ce type.
L'invention s'applique plus particulièrement à un dispositif de filtrage à structure de bandes électriquement conductrices, comportant :
De nombreuses configurations différentes de dispositifs électromagnétiques de filtrage sont réalisables en technologie micro-ruban (de l'anglais « microstrip »), notamment pour concevoir des filtres radiofréquence d'ordre élevé. Selon cette technologie, un dispositif de filtrage est réalisé à l'aide de bandes électriquement conductrices imprimées par simple gravure sur une face d'un substrat électriquement isolant. Un ou plusieurs plans de masses peuvent par ailleurs être réalisés sur la même face du substrat, sur une autre face du substrat, ou par empilement de substrats.
La plupart des dispositifs de filtrage imprimés en technologie micro-ruban font appel à une technique qualifiée de filtrage à « constantes réparties » selon laquelle des montages de composants discrets sont remplacés par des assemblages de motifs élémentaires de bandes électriquement conductrices imprimées, chaque motif élémentaire réalisant une fonction R, L et/ou C prédéterminée. Selon cette technique, les motifs élémentaires sont suffisamment éloignés les uns des autres pour ne pas interférer entre eux. Par ailleurs, pour obtenir des dispositifs de filtrage d'ordres élevés, il convient de multiplier le nombre de dispositifs de filtrage connectés en série. Il en résulte des filtres qui présentent un encombrement parfois pénalisant, celui-ci augmentant avec l'ordre du filtre, compte tenu des fréquences visées (celles du spectre radiofréquence allant jusqu'à 300 GHz) et des applications envisagées.
En outre, dans le domaine des dispositifs de filtrage à ligne de transmission en technologie micro-ruban tel qu'il peut être illustré par l'ouvrage de
Il peut ainsi être souhaité de concevoir un dispositif de filtrage à structure de bandes électriquement conductrices qui permette de s'affranchir d'au moins une partie des problèmes et contraintes précités.
Il est donc proposé un dispositif de filtrage à structure de bandes électriquement conductrices du type précité dans lequel :
Par « longueur d'onde de résonance fondamentale effective » d'un résonateur, on entend bien sûr la longueur d'onde effectivement engendrée sur ladite face du substrat par résonance fondamentale du résonateur considéré, cette longueur d'onde étant différente de celle qui lui correspondrait dans l'air à cause de l'indice de réfraction du substrat qui n'est pas égal à celui de l'air.
Par « première extrémité couplée à la ligne de transmission », on entend soit un raccordement de ladite première extrémité à la ligne de transmission, soit éventuellement un couplage capacitif par rapprochement entre ladite première extrémité et la ligne de transmission.
Il résulte de la topologie ainsi proposée une structure de métamatériau obtenue par technologie micro-ruban qui présente des propriétés particulièrement surprenantes et avantageuses. Tout d'abord, en rapprochant les résonateurs les uns des autres suffisamment pour que les distances entre les premières extrémités de résonateurs voisins soient inférieures au dixième de la plus petite longueur d'onde de résonance fondamentale effective de la pluralité de résonateurs, on obtient un dispositif de filtrage très compact et d'encombrement minimal pour une bande fréquentielle de fonctionnement donnée. Ensuite, le dispositif de filtrage compact obtenu présente une fonction de transfert coupe-bande d'ordre élevé, grâce notamment à la propriété de bande interdite d'hybridation des métamatériaux agissant dans le spectre radiofréquence. Enfin, on observe également une diminution de la vitesse de groupe de tout signal électrique traversant le dispositif de filtrage, ce qui permet d'envisager un tel dispositif comme alternative aux lignes de transmission à vitesses lentes qui sont généralement très complexes en technologie micro-ruban. On notera enfin que contrairement à l'enseignement de l'état de la technique mentionné précédemment, l'objet de l'invention n'est pas envisagé comme comportant une ligne à retard dont on considère l'impédance ou le déphasage. On cherche principalement à obtenir un effet de métamatériau à partir de résonateurs couplés à une ligne de transmission qui soit la plus courte possible, quelle que soit son impédance qui devient alors négligeable et non prise en considération.
De façon optionnelle, les bandes conductrices formant la ligne de transmission et les résonateurs sont rectilignes, les résonateurs étant par ailleurs parallèles entre eux de manière à former un peigne de résonateurs.
De façon optionnelle également, les résonateurs sont perpendiculaires à la ligne de transmission.
De façon optionnelle également, les résonateurs sont tous d'une même longueur nominale, de manière à engendrer une même longueur d'onde de résonance fondamentale effective nominale, sauf au moins un résonateur court, chaque résonateur court étant entouré de deux résonateurs voisins de longueur nominale et étant de longueur inférieure à la longueur nominale de manière à engendrer au moins une cavité résonante dans ladite pluralité de résonateurs.
Par exemple, les résonateurs sont tous de longueur nominale sauf un unique résonateur court de manière à engendrer une unique cavité résonante dans ladite pluralité de résonateurs.
Par exemple également, les résonateurs sont tous de longueur nominale sauf N résonateurs courts, avec N≥2, disposés selon un motif périodique de manière à engendrer N cavités résonantes périodiquement réparties dans ladite pluralité de résonateurs.
De façon optionnelle également, au moins un résonateur est pourvu d'un composant électronique de réglage de sa fréquence électrique équivalente de résonance fondamentale.
De façon optionnelle également, le composant électronique de réglage comporte l'un des éléments de l'ensemble constitué d'une diode PIN, d'une diode varicap, d'une varistance et d'un transistor.
Il est également proposé un ensemble filtrant à au moins un port de connexion d'entrée et au moins un port de connexion de sortie, comportant une pluralité de dispositifs de filtrage selon l'invention, dans lequel :
De façon optionnelle, un ensemble filtrant selon l'invention peut comporter un seul port de connexion d'entrée et un seul port de connexion de sortie, les dispositifs de filtrage étant couplés entre eux en série de sorte que le port de connexion d'entrée du premier dispositif de filtrage de la série forme le port de connexion d'entrée de l'ensemble filtrant et le port de connexion de sortie du dernier dispositif de filtrage de la série forme le port de connexion de sortie de l'ensemble filtrant.
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 :
Le dispositif de filtrage 100 représenté schématiquement sur la
Le dispositif de filtrage 100 comporte en outre une pluralité de résonateurs 1061, ..., 106M, chaque résonateur 106i (1≤i≤M) comportant une bande électriquement conductrice imprimée sur la même face du substrat 104 que la bande conductrice de la ligne de transmission 102. La bande conductrice de chaque résonateur 106i présente une première extrémité 108i raccordée à la ligne de transmission 102 entre les deux ports de connexion 102IN, 102OUT et une deuxième extrémité 110i libre ou raccordée à une masse de manière à engendrer une longueur d'onde de résonance fondamentale effective propre à chaque résonateur 106i sur ladite face du substrat 104. Dans le mode de réalisation illustré sur la
Compte tenu du fait que les deuxièmes extrémités 1101, ..., 110M sont libres, les résonateurs 1061, ..., 106M présentent tous une même longueur d'onde de résonance fondamentale effective λ égale à quatre fois leur longueur L. En variante, si les deuxièmes extrémités 1101, ..., 110M étaient raccordées à la masse, les résonateurs 1061, ..., 106M présenteraient tous une même longueur d'onde de résonance fondamentale effective λ égale à deux fois leur longueur L.
Conformément à l'invention, pour chaque paire (106i, 106i+1), avec 1≤i≤M-1, de résonateurs voisins de la pluralité de résonateurs 1061, ..., 106M, la distance notée ei entre les premières extrémités 108i et 108i+1 des deux résonateurs voisins 106i et 106i+1 de cette paire est inférieure au dixième de la plus petite longueur d'onde de résonance fondamentale effective de la pluralité de résonateurs qui est, dans cet exemple où tous les résonateurs sont tous de même longueur L, la longueur d'onde effective λ mentionnée précédemment. Ces distances e1, ..., eM-1 peuvent même être avantageusement inférieures au dixième, voire au centième, de la plus petite longueur d'onde de résonance fondamentale effective de la pluralité de résonateurs 1061, ..., 106M. Dans le mode de réalisation particulier de la
On obtient ainsi une structure de métamatériau en technologie micro-ruban qui présente des propriétés avantageuses comme indiqué précédemment. En particulier, la propriété de bande interdite d'hybridation est due aux phénomènes d'interférences entre les résonateurs 1061, ..., 106M qui sont très rapprochés et répondent en opposition de phase à tout champ électromagnétique incident au-delà de leur fréquence de résonance. Ainsi, par interférences destructives au-delà de cette fréquence, tout champ électromagnétique incident est réfléchi, et la structure de métamatériau constitue un filtre coupe-bande aux propriétés intéressantes.
A titre d'exemple, pour une ligne de transmission 102 à 50 Ω, avec une longueur L commune des résonateurs égale à 40 mm, une largeur totale W de M = 9 résonateurs égale à 20 mm, une distance e = e1 = ... = eM+1 entre résonateurs voisins d'un peu plus de 1 mm et un indice de réfraction du substrat 104 proche de 1,45, on obtient la fonction de transfert illustrée sur la
On notera que la structure de filtre illustrée sur la
Le dispositif de filtrage 200, représenté schématiquement sur la
Il convient de noter que les distances e1, ..., eM-1 doivent rester inférieures au quart, voire même avantageusement au dixième, de la plus petite longueur d'onde de résonance fondamentale effective de la pluralité de résonateurs qui est, dans cet exemple, la longueur d'onde de résonance fondamentale effective du résonateur court 206i.
Loin de nuire à la structure de métamatériau, la présence de la cavité résonante engendrée par le résonateur court 206i, permet de piéger certaines ondes de manière à créer un pic de résonance, ce pic de résonance pouvant être réglé en position dans la bande interdite de transmission du dispositif de filtrage 200 en jouant sur la position et la taille du résonateur court 206i dans la pluralité de résonateurs 2061, ..., 206M. L'expérience montre que le pic de résonance ainsi obtenu est très étroit, de sorte qu'il présente un grand facteur de qualité.
A titre d'exemple, pour une ligne de transmission 202 à 50 Ω, avec une longueur nominale L égale à 40 mm, une largeur totale W de M = 9 résonateurs égale à 20 mm, une distance e = e1 = ... = eM+1 entre résonateurs voisins d'un peu plus de 1 mm, un résonateur court de 30 mm disposé au centre de la pluralité de résonateurs et un indice de réfraction du substrat 204 proche de 1,45, on obtient la fonction de transfert illustrée sur la
Il est par ailleurs possible d'élargir le pic de résonance à l'intérieur de la bande interdite de transmission en augmentant le nombre de cavités résonantes de manière à coupler ces cavités entre elles. Cet effet est obtenu par exemple à l'aide du dispositif de filtrage 300 de la
Le dispositif de filtrage 300 comporte une ligne de transmission 302 à deux extrémités 302IN et 302OUT imprimée sur un substrat 304 et des résonateurs 3061, ..., 306M comportant des premières 3081, ..., 308M et deuxièmes 3101, ..., 310M extrémités. Il est similaire aux dispositifs de filtrage 100 et 200 à l'exception du fait que plusieurs 306i,1, ..., 306i,N de ses résonateurs 3061, ..., 306M sont plus courts que les autres. Plus précisément, les résonateurs 3061, ..., 306M sont tous de la même longueur nominale L, de manière à engendrer la même longueur d'onde de résonance fondamentale effective nominale λ, sauf les N résonateurs courts 306i,1, ..., 306i,N, disposés dans la structure de métamatériau entre le premier résonateur 3061 et le dernier résonateur 306M de manière à engendrer N cavités singulières résonantes couplées de très petite taille dans la pluralité de résonateurs 3061, ..., 306M. Chaque résonateur court est entouré de deux résonateurs voisins de longueur nominale.
De préférence, les N résonateurs courts 306i,1, ..., 306i,N sont disposés selon un motif périodique de manière à engendrer N cavités résonantes périodiquement réparties dans ladite pluralité de résonateurs. Dans l'exemple de la
Un autre effet résultant de l'augmentation du nombre de cavités dans la structure de métamatériau de la
Il convient enfin de noter que les distances e1, ..., eM-1 doivent rester inférieures au quart, voire même avantageusement au dixième, de la plus petite longueur d'onde de résonance fondamentale effective de la pluralité de résonateurs qui est, dans cet exemple, la longueur d'onde de résonance fondamentale effective des N résonateurs courts 306i,1, ..., 306i,N.
Une variante du mode de réalisation de la
Il convient enfin de noter que les distances e1, ..., eM-1 doivent rester inférieures au quart, voire même avantageusement au dixième, de la plus petite longueur d'onde de résonance fondamentale effective de la pluralité de résonateurs qui est, dans cet exemple, la longueur d'onde de résonance fondamentale effective correspondant à la fréquence électrique équivalente de résonance fondamentale du résonateur 406i.
Une autre variante du mode de réalisation de la
Le résonateur court 456i reste plus court que les autres. Cette forme dédoublée des résonateurs, dite fractale, peut être généralisée en une forme arborescente à multiples deuxièmes extrémités pour chaque résonateur. Elle permet de raccourcir la longueur de chaque résonateur pour une même longueur d'onde effective de résonance, au prix d'un encombrement latéral plus important.
Il convient enfin de noter que les distances e1, ..., eM-1 doivent rester inférieures au quart, voire même avantageusement au dixième, de la plus petite longueur d'onde de résonance fondamentale effective de la pluralité de résonateurs qui est, dans cet exemple, la longueur d'onde de résonance fondamentale effective correspondant à la fréquence électrique équivalente de résonance fondamentale du résonateur court 456i.
A titre d'exemple, pour une ligne de transmission 452 à 50 Ω, avec une longueur nominale L égale à 40 mm, une largeur totale W de M = 5 résonateurs égale à 20 mm, une distance e = e1 = ... = eM+1 entre résonateurs voisins d'environ 3 mm, un résonateur court de 20 à 30 mm disposé au centre de la pluralité de résonateurs et un indice de réfraction du substrat 454 proche de 1,45, on obtient la fonction de transfert illustrée sur la
A partir de l'un ou l'autre des dispositifs de filtrage 100, 200, 300, 400, 450 précédemment décrits, ou à partir d'autres variantes de réalisation possibles, un ensemble filtrant à au moins un port de connexion d'entrée et au moins un port de connexion de sortie, comportant une pluralité de dispositifs de filtrage selon l'invention, peut être conçu. Toutes les bandes électriquement conductrices formant les lignes de transmission et les résonateurs des dispositifs de filtrage d'un tel ensemble filtrant sont imprimées sur une même face d'un même substrat. Par ailleurs, les dispositifs de filtrage sont couplés entre eux en série et/ou en parallèle selon des topologies qui peuvent être très diverses. Il est ainsi possible de concevoir un ensemble filtrant permettant d'atteindre des objectifs ambitieux en termes de bande passante, de perte en bande passante et de niveau de réjection autour de cette bande passante.
Conformément à une première famille de topologies possibles, les dispositifs de filtrage sont couplés entre eux en série, de sorte que l'ensemble filtrant ne comporte qu'un port de connexion d'entrée et qu'un port de connexion de sortie, le port de connexion d'entrée du premier dispositif de filtrage de la série formant le port de connexion d'entrée de l'ensemble filtrant et le port de connexion de sortie du dernier dispositif de filtrage de la série formant le port de connexion de sortie de l'ensemble filtrant.
Un premier mode de réalisation d'un ensemble filtrant selon l'invention et selon cette première famille de topologies est illustré sur la
L'ensemble filtrant 500 à deux ports de connexion 502IN et 502OUT illustré sur cette figure comporte deux dispositifs de filtrage 504, 506 du même type que le dispositif de filtrage 200, c'est-à-dire à résonateurs tous de même longueur nominale sauf un. Le port de connexion d'entrée 502IN correspond au port de connexion d'entrée du premier dispositif de filtrage 504 et le port de connexion de sortie 502OUT correspond au port de connexion de sortie du deuxième et dernier dispositif de filtrage 506.
Les deux lignes de transmission des deux dispositifs de filtrage 504 et 506 sont dans le prolongement l'une de l'autre et le port de connexion de sortie de la ligne de transmission du premier dispositif de filtrage 504 est couplé au port de connexion d'entrée de la ligne de transmission du deuxième dispositif de filtrage 506 à l'aide d'un élément capacitif imprimé 508. Ce dernier est formé de deux bandes électriquement conductrices perpendiculaires aux lignes de transmission des deux dispositifs de filtrage 504 et 506 couplés. Il permet de maintenir les deux dispositifs de filtrage 504 et 506 à une certaine distance d'un de l'autre tout en les couplant.
A titre d'exemple, avec des paramètres structurels d'expérimentation similaires à ceux du dispositif de filtrage 200, on obtient la fonction de transfert illustrée sur la
Un deuxième mode de réalisation d'un ensemble filtrant selon l'invention et selon la première famille de topologies est illustré sur la
L'ensemble filtrant 600 à deux ports de connexion 602IN et 602OUT illustré sur cette figure comporte deux dispositifs de filtrage 604, 606 du même type que le dispositif de filtrage 200, c'est-à-dire à résonateurs tous de même longueur nominale sauf un (la cavité résonante n'étant cependant pas disposée au centre de la pluralité de résonateurs). Ces deux dispositifs de filtrage 604 et 606 sont disposés en symétrie axiale l'un par rapport à l'autre selon un axe perpendiculaire aux lignes de transmission. Le port de connexion d'entrée 602IN correspond au port de connexion d'entrée du premier dispositif de filtrage 604 et le port de connexion de sortie 602OUT correspond au port de connexion de sortie du deuxième et dernier dispositif de filtrage 606.
Les deux lignes de transmission des deux dispositifs de filtrage 604 et 606 sont dans le prolongement l'une de l'autre et le port de connexion de sortie de la ligne de transmission du premier dispositif de filtrage 604 est électromagnétiquement couplé au port de connexion d'entrée de la ligne de transmission du deuxième dispositif de filtrage 606. Pour cela les deux ports couplés sont rapprochés l'un de l'autre et le couplage se fait directement sans élément particulier. Ce couplage varie en fonction de la distance de séparation des deux dispositifs de filtrage 604 et 606.
A titre d'exemple, avec des paramètres structurels d'expérimentation similaires à ceux du dispositif de filtrage 200, on obtient la fonction de transfert illustrée sur la
Un troisième mode de réalisation d'un ensemble filtrant selon l'invention et selon la première famille de topologies est illustré sur la
L'ensemble filtrant 700 à deux ports de connexion 702IN et 702OUT illustré sur cette figure comporte deux dispositifs de filtrage 704, 706 du même type que le dispositif de filtrage 200, c'est-à-dire à résonateurs tous de même longueur nominale sauf un (la cavité résonante n'étant cependant pas disposée au centre de la pluralité de résonateurs). Ces deux dispositifs de filtrage 704 et 706 sont disposés en symétrie centrale l'un par rapport à l'autre selon un point du substrat sur lequel ils sont imprimés. Le port de connexion d'entrée 702IN correspond au port de connexion d'entrée du premier dispositif de filtrage 704 et le port de connexion de sortie 702OUT correspond au port de connexion de sortie du deuxième et dernier dispositif de filtrage 706.
Compte tenu de la disposition en symétrie centrale, les deux lignes de transmission des deux dispositifs de filtrage 704 et 706 sont parallèles sans être dans le prolongement l'une de l'autre. Le couplage électromagnétique des deux dispositifs de filtrage 704 et 706 se fait le long de deux de leurs résonateurs rapprochés en vis-à-vis, l'un raccordé au niveau du port de connexion de sortie du premier dispositif de filtrage 704, l'autre raccordé au niveau du port de connexion d'entrée du deuxième dispositif de filtrage 706. Le couplage se fait directement sans élément particulier. Ce couplage varie en fonction de la distance de séparation des deux résonateurs en vis-à-vis.
A titre d'exemple, avec des paramètres structurels d'expérimentation similaires à ceux du dispositif de filtrage 200, on obtient la fonction de transfert illustrée sur la
Conformément à une deuxième famille de topologies possibles, les dispositifs de filtrage 100, 200, 300, 400, 450 précédemment décrits peuvent être couplés entre eux en parallèle de sorte que l'ensemble filtrant comporte plusieurs ports de connexion d'entrée ou plusieurs ports de connexion de sortie.
Un quatrième mode de réalisation d'un ensemble filtrant selon l'invention et selon cette deuxième famille de topologies est illustré sur la
L'ensemble filtrant 800 à n ports de connexion d'entrée 802IN1, ..., 802INn et un port de connexion de sortie 802OUT illustré sur cette figure comporte n filtres 8041, ..., 804n qui peuvent chacun être du même type que l'un quelconque des dispositifs de filtrage 100, 200, 300, 400, 450 ou autres. Le port de connexion d'entrée 802IN1 correspond au port de connexion d'entrée du premier filtre 8041, ..., le port de connexion d'entrée 802INn correspond au port de connexion d'entrée du dernier filtre 804n et le port de connexion de sortie 802OUT correspond à l'interconnexion en parallèle des n ports de connexion de sortie des n filtres 8041, ..., 804n.
En particulier, lorsque les n filtres 8041, ..., 804n sont à pics ou bandes passantes de résonance dans leurs bandes interdites, il est ainsi possible de concevoir un multiplexeur (un duplexeur si n=2). Par exemple lorsqu'un signal, dont le spectre est inclus dans la bande interdite de chaque filtre 8041, ..., 804n, est fourni aux entrées 802IN1, ..., 802INn de l'ensemble filtrant 800, seule la partie du spectre correspondant au pic résonant ou à la bande passante du premier filtre 8041 est transmise par ce premier filtre 8041 en sortie 802OUT, ..., seule la partie du spectre correspondant au pic résonant ou à la bande passante du dernier filtre 8041 est transmise par ce dernier filtre 8041 en sortie 802OUT, de sorte que l'on obtient en sortie un signal multiplexé selon les différents pics résonants ou bandes passantes des n filtres 8041, ..., 804n.
On notera que l'ensemble filtrant 800 est passif donc réversible. On peut alors le voir et l'utiliser comme un ensemble filtrant à un port de connexion d'entrée 802OUT et n ports de connexion de sortie 802IN1, ..., 802INn. En y injectant un signal de spectre inclus dans la bande interdite de chaque filtre 8041, ..., 804n, on retrouve en sorties 802IN1, ..., 802INn les n parties du signal correspondant respectivement aux n pics résonants ou bandes passantes des n filtres 8041, ..., 804n.
Il est possible également de généraliser la topologie de l'ensemble filtrant 800 en considérant que des ensembles filtrants à dispositifs de filtrage couplés en série, par exemple les ensembles filtrants 500, 600, 700, peuvent eux aussi constituer tout ou partie des filtres 8041, ..., 804n couplés en parallèle.
Inversement, un ensemble filtrant peut être conçu en couplant en série des ensembles filtrants de dispositifs de filtrages couplés en parallèle.
Il apparaît clairement qu'un dispositif de filtrage ou ensemble filtrant tel que l'un de ceux décrits précédemment permet de fournir un filtre performant pour un encombrement minimal, grâce à une structure de métamatériau obtenue en rapprochant une pluralité de résonateurs de telle sorte que les distances entre résonateurs voisins soient toujours inférieures au quart, voire même avantageusement au dixième, de la plus petite longueur d'onde de résonance fondamentale effective de la pluralité de résonateurs.
On notera par ailleurs que l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits précédemment.
En particulier, en ce qui concerne les ensembles filtrants présentés en références aux
Plus généralement toutes les topologies de dispositifs de filtrage couplés sont envisageables, notamment les topologies en cascades, étoiles ou autres.
Il apparaîtra à l'homme de l'art que diverses modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation décrits ci-dessus, à la lumière de l'enseignement qui vient de lui être divulgué. Dans les revendications qui suivent, les termes utilisés ne doivent pas être interprétés comme limitant les revendications aux modes de réalisation exposés dans la présente description, mais doivent être interprétés pour y inclure tous les équivalents que les revendications visent à couvrir du fait de leur formulation et dont la prévision est à la portée de l'homme de l'art en appliquant ses connaissances générales à la mise en oeuvre de l'enseignement qui vient de lui être divulgué.
Cette liste de références citées par le demandeur vise uniquement à aider le lecteur et ne fait pas partie du document de brevet européen. Même si le plus grand soin a été accordé à sa conception, des erreurs ou des omissions ne peuvent être exclues et l'OEB décline toute responsabilité à cet égard.