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Filtre à résonateur diélectrique.
L'invention se rapporte à un filtre à résonateur diélectrique.
Un tel filtre est basé sur les principes suivants :
- Utilisation des modes du résonateur diélectrique blindé.
- Réutilisation des méthodes classiques d'excitation et de
couplage des modes, notamment grâce à des vis de réglages agissant sur
le champ électrique.
Un article paru dans "Electronics Letters", vol. 16, n 17, du 14
août 1980, pages 646-647 intitulé "Dielectric resonator dual modes
filter" de P. Guillon, Y. Garault et J. Farenc décrit un résonateur
diélectrique blindé de forme cylindrique dans lequel plusieurs modes
dégénérés à des fréquences naturelles identiques peuvent se propager.
Ces modes dégénérés peuvent être couplés entre eux pour former des
circuits couplés en perturbant la configuration géométrique de la
structure : on peut ainsi avoir une perturbation de la fréquence pour le
mode TEo1 grâce à une vis d'accord, et un filtre diélectrique bi-mode
utilisant deux modes HEMl 2 ~ du résonateur polarisés
perpendiculairement.
Une demande de brevet européen n 0 064 799 décrit un élément
résonateur en céramique disposé dans une cavité pour former un
résonateur micro-onde composite. Deux vis d'accord, situées dans la
cavité le long d'axes orthogonaux, permettent de réaliser l'accord de
l'ensemble le long de ces axes, à des fréquences proches de la fréquence
de résonance fondamentale de l'élément résonateur. Plusieurs cavités de
ce type peuvent être assemblées pour former un filtre en utilisant
plusieurs séparations transverses.
Le couplage entre ces différentes cavités peut alors être réalisé
à l'aide de simples fentes, de deux fentes en forme de croix ou à l'aide
d'iris circulaires. Dans chaque cavité une vis de réglage est
positionnée selon un axe de 45 par rapport aux vis d'accord
orthogonales de manière telle que la résonance le long d'un des axes
orthogonaux soit couplée à la résonance le long de l'autre axe.
Mais ces documents de l'art antérieur ne donnent aucune précision
concernant :
- la position du résonateur dans la cavité métallique,
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-
- les matériaux utilisés pour la cavité, pour les dispositifs de
réglages et pour le système de maintien du résonateur,
- le principe de maintien du résonateur diélectrique dans la
cavité.
Dans d'autres documents de l'art antérieur, on donne quelques
détails concernant les matériaux utilisés pour la cavité :
- utilisation d'invar et de fibre de carbone,
- ou utilisation d'un autre matériau dont les coefficients de
dilatation mis en oeuvre sont compensés.
En ce qui concerne le diélectrique de maintien, peu de solutions
précises sont indiquées, par exemple :
- des matériaux à faibles pertes isolant en forme de colonne ou de -
coussin (polystyrène ou PTFE (polytétrafluoréthylène), mousse).
L'invention, tout en permettant d'optimiser les courbes de réponse
de filtres à résonateurs diélectriques en bande proche de la résonance
et en large bande, a pour objet de résoudre les différentes questions
soulevées pour la réalisation de ces filtres.
Elle propose, à cet effet, un filtre à résonateur diélectrique
comprenant au moins une cavité cylindrique à l'intérieur de laquelle se
trouve un résonateur diélectrique dont l'axe de symétrie est colinéaire
avec celui de ladite cavité, caractérisé en ce que le résonateur est
maintenu par un système de deux coupelles.
Avantageusement ce résonateur est un résonateur cylindrique ayant
une position longitudinale symétrique à l'intérieur de la cavité.
Un tel filtre présente de nombreux avantages, à savoir :
- il permet d'avoir un écart suffisant en fréquence entre le mode
HEMl 2 ~ par exemple, et les autres modes de façon à obtenir une
bande libre de modes parasites assez large,
_ il permet de réaliser des filtres à structure plus que bi-modes.
Plus particulièrement l'invention concerne un filtre à résonateur
diélectrique dans lequel :
- le résonateur est tenu par un système à coupelles reposant sur
la paroi interne de la cavité sur un petit trottoir d'un côté et à
l'aide de quatre vis pointeau en appui sur une partie conique de la
coupelle supérieure. Ceci assure le maintien du résonateur en fonction
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des dilatations différentielles.
Avantageusement, ce système à coupelles peut être réalisé par deux
pièces cylindriques :
- une première pièce se terminant à une première extrémité par une
portée conique et à sa seconde extrémité par quatre portées sur le
résonateur,
- une seconde pièce avec une extrémité identique à la première, au
niveau du résonateur, et l'autre extrémité une portée simple sur le
trottoir sur la cavité.
Avantageusement, le système est en matériau diélectrique, la
cavité est en aluminium argenté.
De telles caractéristiques permettent :
- d'optimiser le coefficient de surtension (pas de matériau à
pertes dans les zones critiques),
- d'obtenir un coefficient de stabilité en température d'environ 1
ppm/C (ppm ou parties par million), ce qui est compensable en utilisant
un résonateur diélectrique à -1 ppm/C.
De plus, dans un tel filtre, on peut utiliser des résonateurs
cylindriques sans usinage spécifique, ce système à l'avantage d'être
très simple à mettre en oeuvre, ce qui est un avantage industriel
important lorsqu'on utilise, par exemple, un nombre élevé de canaux
(multiplexeurs).
Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront
d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple non
limitatif, en référence aux figures annexées sur lesquelles :
- les figures 1 et 2 illustrent le montage du résonateur dans la
cavité avec respectivement une vue en perspective en partie déchirée, et
une vue partielle éclatée ;
- la figure 3 illustre le procédé de montage utilisé pour
appliquer la précontrainte ;
- la figure 4 représente une courbe de réponse d'une réalisation
particulière du filtre selon l'invention.
Comme représenté sur les figures 1 et 2, le filtre résonateur
selon l'invention est formé d'une cavité cylindrique 10 à l'intérieur de
laquelle se trouve un résonateur diélectrique 11, par exemple de forme
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cylindrique, dont l'axe de symétrie ~ est colinéaire avec celui de
ladite cavité 10. Ce résonateur 11 a, ici, une position symétrique à
l'intérieur de la cavité 10. Cette cavité 10 peut d'ailleurs être
fermée, si nécessaire, par deux iris.
Le résonateur 11 est tenu dans la cavité 10 par un système à
coupelles alvéolées 15 et 16. Comme représenté sur la figure 1, la
première coupelle 15 est montée en appui sur un trottoir 12 réalisé dans
la paroi interne de la cavité 10 ; les portées de cette coupelle 15 sur
ce trottoir 12 de la cavité 10 sont limitées à des ergots 17 dont
l'usinage est précis. Le résonateur 11 est placé en appui sur quatre
portées 18 réalisée dans la partie intérieure de la coupelle 15 qui le
maintiennent dans l'axe ~ de la cavité 10, en une position symétrique.
La seconde coupelle 16 dont la forme est très proche de celle de
la première coupelle 15 possède les mêmes quatre portées 18 au niveau du
résonateur 11 ; elle s'en distingue par sa portée conique 19 sur
laquelle viennent appuyer des vis pointeau 20 qui traversent la cavité
10 et qui, par leur contact, viennent assurer le maintien du
résonateur 11 dans la cavité 10.
De facon à assurer une position stable du résonateur 11 dans la
cavité 10 la compensation des dilatations thermiques des matériaux est
assurée par l'élasticité des coupelles 15 et 16, compte tenu du fait
qu'une précontrainte leur est appliquée au moment du montage.
Dans le dispositif de l'invention on peut considérer à titre
d'exemple l'utilisation de-cavités et de dispositifs de réglages en
aluminium argenté.
Dans un exemple de réalisation, le filtre de l'invention répond au
caractéristiques suivantes :
- le résonateur 11 est tenu par un système à coupelles 15 et 16
dont la contrainte appliquée est déterminée pour tenir des accélérations
jusqu'à 30 g et des contraintes thermiques importantes.
Cette précontrainte est appliquée à l'aide de l'outillage,
illustré sur la figure 2, qui est formé d'un bâti 27, 28, 29 auquel est
fixé un guide 25.
Un doigt 22 transmet un effort donné par un ressort 24, emprisonné
dans le guide 25, à la coupelle supérieure 16 par la cale 21. Le ressort
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est comprimé en fonction du nombre de tours du bras 26. Une calibration
de l'outillage donne la correspondance : nombre de tours ~-~ effort.
Les vis pointeau 20 sont alors positionnées en appui sur la portée
conique 19 de la seconde coupelle 16 avant de relever le doigt 22.
Dans un exemple de réalisation, les éléments constitutifs du
filtre de l'invention ont les dimensions suivantes :
- le résonateur 11 :
. diamètre = 21 mm
. longueur = 5 mm
- la cavité 10 :
. diamètre intérieur = 36 mm
. longueur = 21 mm
- position du résonateur dans la cavité : centrée.
- matériaux utilisés :
. cavité en aluminium
. iris en aluminium
. fixation en diélectrique.
Plusieurs cavités, selon l'invention, peuvent être mises bout à
bout pour réaliser un filtre à n pôles. Ainsi, les caractéristiques
définies précédemment permettent, en mettant bout à bout quatre cavités,
de réaliser un filtre huit pôles autocorrigé dans la bande
3,7 GHz/4,2 GHz dont les performances sont données dans la courbe du
paramètre de transfert en gain (en décibels) en fonction de la fréquence
(en gigahertz) représentée à la figure 3.
Des essais d'endurance appliqués à ce montage ont permis de
démontrer sa grande fiabilité (utilisation dans le domaine spatial).
I1 est bien entendu que la présente invention n'a été décrite et
représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et que l'on pourra
remplacer ses éléments constitutifs par des éléments équivalents sans
pour autant sortir du cadre de l'invention.
