EP0117178A1 - Filtre hyperfréquence à résonateurs linéaires - Google Patents

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EP0117178A1
EP0117178A1 EP84400151A EP84400151A EP0117178A1 EP 0117178 A1 EP0117178 A1 EP 0117178A1 EP 84400151 A EP84400151 A EP 84400151A EP 84400151 A EP84400151 A EP 84400151A EP 0117178 A1 EP0117178 A1 EP 0117178A1
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conductor
conductors
resonator
filter according
face
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EP84400151A
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Clément-François Lacour
Patrick Janer
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Alcatel Thomson Faisceaux Hertziens SA
Original Assignee
Alcatel Thomson Faisceaux Hertziens SA
Thomson CSF SA
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/20—Frequency-selective devices, e.g. filters
    • H01P1/201—Filters for transverse electromagnetic waves
    • H01P1/203—Strip line filters
    • H01P1/20327—Electromagnetic interstage coupling
    • H01P1/20354—Non-comb or non-interdigital filters
    • H01P1/20372—Hairpin resonators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/20—Frequency-selective devices, e.g. filters
    • H01P1/201—Filters for transverse electromagnetic waves
    • H01P1/205—Comb or interdigital filters; Cascaded coaxial cavities

Definitions

  • the present invention relates to microwave filters of small dimensions, with linear resonators constituted by one or more conductors.
  • the branches of the "U", forming the resonators are parallel to each other and are dimensioned so that the total developed length of each of the "U" is equal to half the wavelength X of agreement of the resonator.
  • the coupling coefficient between two resonators depends on the width of the conductor constituting the resonator, on the distance between the branches of two adjacent "U” as well as on the space existing between the two branches of the same "U".
  • One solution is, for example, to place a capacitor between the free ends of the branches of the "U" of each resonator to tune it on its working frequency.
  • This embodiment also has the advantage that it makes it possible to obtain filters having good rejection of the parasitic frequencies.
  • it has the drawback of causing large electric fields at the level of the capacitors, and parasitic couplings between nonadjacent resonators which disturb the response of the filter.
  • the physical behavior of a filter thus obtained never corresponds, therefore, to the expected theoretical filter but to a approximation which on the one hand requires several long and delicate tests to obtain it and which on the other hand, as a corollary, increases the cost price.
  • the subject of the invention is a microwave filter with linear resonators constituted by at least one conductor placed on the first plane face of a substrate made of dielectric material, the second face parallel to the first face is metallized to form a plane. ground, the ends of each conductor being connected to the ground plane, characterized in that the length of each conductor is less than the half wavelength of the resonator resonator frequency wave F 0 which it constitutes and in that the middle of each conductor is also connected to the ground plane by means of at least one capacitor to tune each resonator to its resonant frequency F.
  • This arrangement has the advantage that it makes each resonator tunable to the resonant frequency F on which it is desired to be adjusted while eliminating the parasitic resonances at higher frequencies multiple of F.
  • the filter comprises a substrate 1, having two plane rectangular faces 2 and 3, parallel to each other, spaced a few tenths of a millimeter apart to serve as a support for two conductors 4 and 5 in the shape of a "U" and with two coupling conductors 6, 7 having roughly parallel directions.
  • the substrate 1 is made of a material with high permittivity, of the magnesium titanate, alumina or teflon glass type.
  • the conductors 4, 5, 6 and 7 are deposited, for example, by metallization of ribbons on the first face 2 of the substrate.
  • the second face 3 of the substrate is entirely covered by a metallic layer also deposited by metallization or any other equivalent means.
  • the conductors 4 and 5 form, with the metal layer covering the face 3 of the substrate, two resonators which are supplied, in the example, by means of the coupling conductor 6 carrying the microwave signal applied to the input of the filter. These resonators supply an external element to the filter, not shown, the filtered signal, by means of the coupling conductor 7.
  • the "U" formed by the conductors 4 and 5 have reversed positions with respect to each other and their respective branches 4a, 4b, and 5a, 5b have directions roughly parallel to the direction of the coupling conductors 6 and 7.
  • the adjacent branches 4b and 5a of each resonator are slightly spaced from one another, to allow their electromagnetic coupling.
  • branches 4a and 5b are slightly spaced from the coupling conductors 6 and 7 to allow coupling of the conductors 6 and 7 with each of the resonators.
  • the ends of each of the U-shaped conductors 4 and 5 are connected to the ground plane, covering the face 3 of the substrate 1, by means of the metallized holes 8, 9, 10 and 11.
  • Two capacitors 12 and 13 are respectively placed, between the middle of the conductors 4 and 5 and the ground plane, inside holes made in the thickness of the substrate 1.
  • the plates 12a and 13a of the capacitors 12 and 13 are welded respectively in the middle of the conductors 4 and 5 and the plates 12b and 13b of the capacitors 12 and 13 are welded to the ground plane located on the second face of the substrate 3.
  • the spaces between the plates 12a and 12b on the one hand, and 13a and 13b d on the other hand are adjusted by means of plunger cores, respectively 14 and 15, which can be moved inside reinforcing bodies 12b and 13b.
  • FIG. 2 The diagram of a resonator, applicable to the construction of the filters - according to the invention, is shown in simplified form in FIG. 2.
  • the resonator of FIG. 2 is constituted similarly to those of FIG. 1, by a line folded 16 in the shape of a "U", the ends 17 and 18 of which are connected to the supply ground of the filter, and the middle of which is also connected to the ground, through, of a variable capacitor 19.
  • the length L of line 16 is chosen to be less than the resonance wavelength to allow tuning of the resonator using the capacitor 19.
  • This type of resonator allows both, very good control and very good rejection of parasitic frequencies.
  • the value of the capacitor 19 is adjusted to a value approximately almost zero. In this case the parasitic responses at frequencies multiple of 2. F are suppressed because the branches of the resonator bring a short circuit across the terminals of the capacitor 19.
  • the value of the capacitor 19 must be adjusted to a non-negligible value in order to obtain the resonance of the resonator and the rejection of the parasitic frequencies, multiple, in this case, of F o , o where ⁇ o represents the electrical angle corresponding to the half section L of line of length equal to .
  • FIG. 3 represents the capacitor 12 of FIG. 1, mounted on the substrate 1.
  • each armature 12a and 12b of the capacitor is connected respectively to the conductor 4 and to the ground plane covering the substrate 1 by the weld beads 20 and 21.
  • each resonator As each resonator is connected by its two ends to ground, the radiating dipole that it forms, emits less energy than a dipole with the open ends of the prior art, so that the couplings between nonadjacent resonators are are found to be greatly attenuated.
  • the structure of each resonator can be reduced to a simple equivalent diagram in the form of a dipole which facilitates the determination, by calculation, of the filters.
  • FIG. 4 An example of an equivalent diagram is shown in FIG. 4.
  • the resonator, formed by the conductor 4a of FIG. 1 is equivalent to a line formed by the conductors 20, 21, short-circuited at one end by a conductor 24 and connected at its other end to the terminals of capacitor 12.
  • conductor 4b is equivalent to a line formed by conductors 22 and 23, short-circuited at one end by conductor 25 and connected at its other end to terminals of the capacitor 12.
  • the conductors 5a and 5b forming the branches of the "U" of the second resonator of FIG. 1 are equivalent to a line formed by the conductors 26, 27 short-circuited at one end by the conductor 28 and connected at its other end to the terminals of the capacitor 13.
  • the conductor 5b is equivalent to a line formed by the conductors 29 and 30, short-circuited at one end by the conductor 31 and connected at its other end to the b ornes of the capacitor 13.
  • the resonators 4 and 5 are coupled through the impedance inverters 32, 33 and 34.
  • FIG. 5 represents an embodiment of a notch filter using the "U" resonators according to the invention which comprises a single line access 35 whose two ends respectively constitute the inlet and the outlet of the filter.
  • Three resonators 36, 37 and 38 are arranged in the same plane as line 35 with their branches parallel to line 35 and are placed on either side of this line.
  • FIG. 6 represents a transmission curve obtained using a bandpass filter centered on the frequency 1852.5 MHz where it can be seen that up to 12 GHz the filter remains insensitive at spurious frequencies.
  • the invention is also not limited to the number of resonators used, nor to the shape of the resonators which, instead of being in "U" shape, can take any shape, in V, linear or otherwise, nor the type of capacitors used.
  • the capacitors can be either tunable, fixed or formed by inter-digitized capacitors etched on the substrate.

Abstract

Chaque résonateur est constitué par au moins un conducteur (4,5) placé sur la première face (2) d'un substrat (1) en matériau diélectrique, dont la deuxième face (3), parallèle à la première face, est métallisée pour constituer un plan de masse. Les extrémités de chaque conducteur (4,5) sont reliées au plan de masse et le milieu de chaque conducteur (4,5) est également relié au plan de masse par l'intermédiaire d'au moins un condensateur (12,13). Application : construction des filtres en hyperfréquences.

Description

  • La présente invention concerne les filtres hyperfréquence de petites dimensions, à résonateurs linéaires constitués par un ou plusieurs conducteurs.
  • Il est connu de réaliser des filtres passe-bande ou coupe-bande en hyperfréquence à l'aide de résonateurs, formés par des conducteurs en forme de "U" , déposés par métallisation ou tout autre moyen équivalent sur une première face plane d'un substrat dont la deuxième face, parallèle à la première face, est métallisée, pour constituer un plan de masse.
  • Selon cette réalisation, les branches des "U", formant les résonateurs, sont parallèles entre elles et sont dimensionnées pour que la longueur totale développée de chacun des "U" , soit égale à la moitié de la longueur d'onde X d'accord du résonateur.
  • Le coefficient de couplage entre deux résonateurs dépend, de la largeur du conducteur constituant le résonateur, de la distance qui sépare les branches de deux "U" adjacents ainsi que de l'espace existant entre les deux branches du même "U".
  • Ces filtres ont pour principaux inconvénients de présenter des réponses parasites aux fréquences multiples de leur fréquence centrale de fonctionnement, notamment, lorsqu'ils sont placés à l'intérieur d'un boîtier fermé et d'avoir un encombrement non négligeable, principalement aux fréquences inférieures à 8 GHz.
  • Pour pallier ces inconvénients, on cherche généralement à diminuer les dimensions des boîtiers en diminuant les dimensions des résonateurs. Une solution consiste, par exemple, à placer un condensateur entre les extrémités libres des branches du "U" de chaque résonateur pour l'accorder sur sa fréquence de travail. Cette réalisation a également pour avantage qu'elle permet d'obtenir des filtres possédant une bonne réjection des fréquences parasites. Mais, elle présente l'inconvénient, de provoquer des champs électriques importants au niveau des condensateurs, et des couplages parasites entre résonateurs non adjacents qui perturbent la réponse du filtre. Le comportement physique d'un filtre ainsi obtenu, ne correspond jamais, de ce fait, au filtre théorique attendu mais à une approximation qui d'une part, nécessite plusieurs essais longs et délicats pour son obtention et qui d'autre part, en corollaire, augmente le prix de revient.
  • Le but de l'invention est de remédier aux inconvénients précités.
  • A cet effet, l'invention a pour objet un filtre hyperfréquence à résonateurs linéaires constitués par au moins un conducteur placé sur la première face plane d'un substrat en matériau diélectrique dont la deuxième face parallèle à la première face est métallisée pour constituer un plan de masse, les extrémités de chaque conducteur étant reliées au plan de masse, caractérisé en ce que la longueur de chaque conducteur est inférieure à la demi longueur d'onde de l'onde de fréquence F 0 de résonance du résonateur qu'elle constitue et en ce que le milieu de chaque conducteur est également relié au plan de masse par l'intermédiaire d'au moins un condensateur pour accorder chaque résonateur sur sa fréquence de résonance F . o
  • Cette disposition a pour avantage qu'elle rend chaque résonateur accordable sur la fréquence de résonance F sur laquelle on souhaite qu'il soit réglé tout en supprimant les résonances parasites aux fréquences supérieures multiples de F .
  • Elle a aussi pour avantage de réduire dans des proportions importantes le rayonnement du doublet ainsi formé par chaque résonateur puisque, les extrémités des conducteurs sont reliées au plan de masse. Egalement, le rayonnement du condensateur d'accord de chaque résonateur est fortement atténué par la liaison d'une extrémité du condensateur au plan de masse.
  • Cette absence de rayonnement parasitaire, qui était difficilement mesurable dans les réalisations des filtres de l'art antérieur, facilite la réalisation physique des filtres. D'autre part, comme il apparaitra dans la suite de la description, le schéma équivalent de chaque résonateur se trouve être très simplifié, ce qui facilite la détermination théorique de ces filtres.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront également à l'aide de la description qui va suivre faite en regard des dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple et dans lesquels.
    • - La figure 1 représente une vue en perspective d'un filtre hyperfréquence selon l'invention.
    • - La figure 2 représente un schéma électrique d'un résonateur de filtre selon l'invention.
    • - La figure 3 est une représentation du mode d'assemblage d'un condensateur sur le substrat du filtre.
    • - La figure 4 est une représentation du schéma équivalent du filtre représenté à la figure 1.
    • - La figure 5 est une représentation d'un deuxième mode de réalisation d'un filtre hyperfréquence selon l'invention..
    • - La figure 6 est une représentation de la courbe de réponse d'un filtre de l'invention accordé sur une fréquence centrale de 1852,5 MHz.
  • Dans le mode de réalisation de l'invention représenté à la figure 1, le filtre comprend un substrat 1, ayant deux faces rectangulaires planes 2 et 3, parallèles entre elles, espacées de quelques dizièmes de millimètres pour servir de support à deux conducteurs 4 et 5 en forme de "U" et à deux conducteurs 6, 7 de couplage ayant des directions à peu près parallèles. Le substrat 1 est fabriqué dans un matériau à permittivité élevée, du type titanate de magnésium, alumine ou verre téflon. Les conducteurs 4, 5, 6 et 7 sont déposés, par exemple, par métallisation de rubans sur la première face 2 du substrat. La deuxième face 3 du substrat est recouverte entièrement, par une couche métallique déposée également par métallisation ou tout autre moyen équivalent.
  • Les conducteurs 4 et 5 forment, avec la couche métallique recouvrant la face 3 du substrat, deux résonateurs qui sont alimentés, dans l'exemple, au moyen du conducteur 6 de couplage transportant le signal hyperfréquence appliqué à l'entrée du filtre. Ces résonateurs fournissent à un organe extérieur au filtre, non représenté, le signal filtré, au moyen du conducteur de couplage 7.
  • Les "U" formés par les conducteurs 4 et 5 ont des positions inversées l'une par rapport à l'autre et leurs branches respectives 4a, 4b, et 5a, 5b ont des directions à peu près parallèles à la direction des conducteurs de couplage 6 et 7. Les branches adjacentes 4b et 5a de chaque résonateur sont légèrement espacées l'une de l'autre, pour permettre leur couplage électromagnétique. De même les branches 4a et 5b sont légèrement espacées des conducteurs de couplage 6 et 7 pour permettre le couplage des conducteurs 6 et 7 avec chacun des résonateurs. Les extrémités de chacun des conducteurs en "U" 4 et 5 sont reliées au plan de masse, recouvrant la face 3 du substrat 1, par l'intermédiaire des trous métallisés 8, 9, 10 et 11. Deux condensateurs 12 et 13 sont respectivement placés, entre le milieu des conducteurs 4 et 5 et le plan de masse, à l'intérieur de trous pratiqués dans l'épaisseur du substrat 1. Les armatures 12a et 13a des condensateurs 12 et 13 sont soudées respectivement au milieu des conducteurs 4 et 5 et les armatures 12b et 13b des condensateurs 12 et 13 sont soudées au plan de masse situé sur la deuxième face du substrat 3. Sur la figure 1, les espaces entre les armatures 12a et 12b d'une part, et 13a et 13b d'autre part, sont ajustés à l'aide de noyaux plongeurs, respectivement 14 et 15, déplaçables à l'intérieur de corps d'armatures 12b et 13b.
  • Le schéma d'un résonateur, applicable à la construction des filtres - selon l'invention, est représenté sous forme simplifiée à la figure 2. Le résonateur de la figure 2 est constitué de façon similaire à ceux de la figure 1, par une ligne repliée 16 en forme de "U" dont les extrémités 17 et 18 sont reliées à la masse d'alimentation du filtre, et dont le milieu est également relié à la masse, au travers, d'un condensateur variable 19. La longueur L de la ligne 16 est choisie inférieure à la longueur d'onde de résonance pour permettre l'accord du résonateur à l'aide du condensateur 19.
  • Ce type de résonateur permet à la fois, une très bonne maitrise et une très bonne rejection des fréquences parasites.
  • En effet, dans le cas où la longueur L est à peu près égale mais inférieure à la demi-longueur d'onde λ correspondant à la fréquence centrale Fo de résonance du résonateur, la valeur du condensateur 19 est ajustée à une valeur à peu près nulle. Dans ce cas les réponses parasites aux fréquences multiples de 2. F sont supprimées du fait que les branches du résonateur ramènent un court-circuit aux bornes du condensateur 19. Par contre, dans le cas où, la longueur Lo a une valeur bien inférieure à la demi-longueur d'onde λ , la valeur du condensateur 19 doit être ajustée à une valeur non négligeable pour obtenir la résonance du résonateur et la réjection des fréquences parasites, multiples, dans ce cas, de
    Figure imgb0001
     Fo, o où θo représente l'angle électrique correspondant au demi tronçon L de ligne de longueur égale à
    Figure imgb0002
    .
  • Le condensateur 19 étant relié par une de ses extrémités à la masse, le rayonnement émis par celui-ci est fortement diminué. Les liaisons d'un condensateur aux circuits d'un résonateur sont représentées à la figure 3 qui représente le condensateur 12 de la figure 1, monté sur le substrat 1. Sur la figure 3, chaque armature 12a et 12b du condensateur est reliée respectivement au conducteur 4 et au plan de masse recouvrant le susbtrat 1 par les cordons de soudure 20 et 21.
  • Comme chaque résonateur est relié par ses deux extrémités à la masse, le dipôle rayonnant qu'il forme, émet moins d'énergie qu'un dipôle aux extrémités ouvertes de l'art antérieur, de sorte que, les couplages entre résonateurs non adjacents se trouvent être fortement atténués. D'autre part, la structure de chaque résonateur peut être ramenée à un schéma équivalent simple sous forme d'un dipôle ce qui facilite la détermination, par le calcul, des filtres. Un exemple de schéma équivalent est représenté à la figure 4. Sur ce schéma, le résonateur, formé par le conducteur 4a de la figure l, est équivalent à une ligne formée par les conducteurs 20, 21, court-circuitée à une extrémité par un conducteur 24 et branchée à son autre extrémité aux bornes du condensateur 12. De même, le conducteur 4b est équivalent à une ligne formée par les conducteurs 22 et 23, court-circuitée à une extrémité par le conducteur 25 et branchée à son autre extrémité aux bornes du condensateur 12. De façon identique, les conducteurs'5a et 5b formant les branches du "U" du deuxième résonateur de la figure 1 sont équivalents à une ligne formée par les conducteurs 26, 27 court-circuitée à une extrémité par le conducteur 28 et connectée à son autre extrémité aux bornes du condensateur 13. Egalement le conducteur 5b est équivalent à une ligne formée par les conducteurs 29 et 30, court-circuitée à une extrémité par le conducteur 31 et connectée à son autre extrémité aux bornes du condensateur 13. Pour compléter le schéma équivalent, les résonateurs 4 et 5 sont couplés au travers des inverseurs d'impédance 32, 33 et 34.
  • La figure 5 représente une réalisation d'un filtre coupe-bande à l'aide des résonateurs en "U" selon l'invention qui comporte une seule ligne d'accès 35 dont les deux extrémités constituent respectivement l'entrée et la sortie du filtre. Trois résonateurs 36, 37 et 38 sont disposés dans un même plan que la ligne 35 avec leurs branches parallèles à la ligne 35 et sont placés de part et d'autre de cette ligne.
  • A titre d'exemple, la figure 6 représente une courbe de transmission obtenue à l'aide d'un filtre passe-bande centré sur la fréquence 1852,5 MHz où l'on peut voir que jusqu'à 12 GHz le filtre reste insensible aux fréquences parasites.
  • Les exemples qui viennent d'être donnés de réalisations préférées de l'invention ne sont pas limitées aux filtres précédemment décrits, il va de soi qu'elle s'applique également à d'autres variantes de réalisation pouvant être empruntées, notamment, des techniques de fabrication des microcircuits.
  • On comprendra également que l'invention n'est pas non plus limitée au nombre de résonateurs utilisés, ni à la forme des résonateurs qui au lieu d'être en "U" peuvent revêtir une forme quelconque, en V, linéaire ou autre, ni au type de condensateurs utilisés. Les condensateurs pourront être indifféremment accordables, fixes ou formés par des condensateurs inter-digités gravés sur le substrat.

Claims (9)

1. Filtre hyperfréquence à résonateurs linéaires constitués par au moins un conducteur (4, 5, 11), placé sur la première face plane (2) d'un substrat (1) en matériau diélectrique dont la deuxième face (3) parallèle à la première face est métallisée pour constituer un plan de masse, les extrémités de chaque conducteur étant reliées au plan de masse, caractérisé en ce que la longueur de chaque conducteur (4, 5) est inférieure à la demi longueur d'onde de l'onde de fréquence F 0 de résonance du résonateur qu'elle constitue et en ce que le milieu de chaque conducteur (4, 5) est également relié au plan de masse par l'intermédiaire d'au moins un condensateur pour accorder chaque résonateur sur sa fréquence de résonance F . o
2. Filtre hyperfréquence selon-la revendication 1, caractérisé en ce que chaque conducteur (4, 5) a une capacité ajustable.
3. Filtre hyperfréquence selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les extrémités d'un conducteur sont reliées au plan de masse par l'intermédiaire de trous métallisés.
4. Filtre hyperfréquence selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque conducteur a une forme de U.
5. Filtre hyperfréquence selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend des conducteurs de couplage (6, 7), placés également sur la première face (2) du substrat (1) et ayant des directions à peu près parallèles à la direction des branches des "U" de chacun des résonateurs, pour appliquer le signal hyperfréquence à filtrer sur au moins un résonateur et pour fournir à l'extérieur du filtre le signal résultant filtré.
6. Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les conducteurs formant résonateurs (4, 5) et les conducteurs de couplage (6, 7) sont disposés pour constituer un filtre passe-bande.
7. Filtre selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que les conducteurs en "U" (4, 5) ont des positions inversées les unes par rapport aux autres.
8. Filtre selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que les conducteurs en "U" (4, 5) sont couplés par l'intermédiaire d'un seul conducteur de couplage (3, 5) pour constituer un filtre coupe-bande.
9. Filtre hyperfréquence selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les armatures (12a, 12b) d'un condensateur sont soudées l'une au conducteur (4, 5) qui lui correspond et l'autre au plan de masse.
EP84400151A 1983-01-31 1984-01-24 Filtre hyperfréquence à résonateurs linéaires Expired EP0117178B1 (fr)

Applications Claiming Priority (2)

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EP0117178A1 true EP0117178A1 (fr) 1984-08-29
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