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Patent Searching and Data


Title:
TUNABLE VARIABLE-INDUCTANCE FILTER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/099924
Kind Code:
A1
Abstract:
A tunable filter comprising at least two tunable resonators (30, 40), one resonator comprising at least one inductance or transmission line (31), said inductance or transmission line having a first end (31A) connected to earth M and a second end (31B) coupled to another resonator via a coupling impedance (32), and a plurality of switched capacitors (33i), characterised in that: · said inductance or transmission line (31) comprises a plurality of access points (31i) or connection points distributed along said inductance (31) making it possible to connect or not a switched capacitor (33i) the value of which is defined according to its position on the inductance, · the low-weight capacitors are located close to the end of the inductance connected to earth M. Use of the filter in radio transmitters/receivers.

More Like This:
WO/2003/052930FILTER CIRCUIT
Inventors:
GUERN, Pierre (THALES COMMUNICATIONS & SECURITY, 110 avenue Leclerc - BP, 49309 Cholet, 49309, FR)
FOUGERAY, Germain (THALES COMMUNICATIONS & SECURITY, 110 avenue Leclerc - BP, 49309 Cholet, 49309, FR)
SABOUREAU, Cédrick (THALES COMMUNICATIONS & SECURITY, 110 avenue Leclerc - BP, 49309 Cholet, 49309, FR)
Application Number:
EP2017/080711
Publication Date:
June 07, 2018
Filing Date:
November 28, 2017
Export Citation:
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Assignee:
THALES (TOUR CARPE DIEM, Place des CorollesEsplanade Nord, Courbevoie, 92400, FR)
International Classes:
H03H7/01; H01P1/203; H01P7/08
Foreign References:
US20060087388A12006-04-27
JPS6033724A1985-02-21
US20040036551A12004-02-26
JP2006005798A2006-01-05
Other References:
ZHAO ZHI-YUAN ET AL: "High-power VHF tunable filters with high selectivity", ELECTRONICS LET, IEE, vol. 50, no. 19, 11 September 2014 (2014-09-11), pages 1356 - 1358, XP006049450
None
Attorney, Agent or Firm:
DUDOUIT, Isabelle et al. (Immeuble Visium, 22 Avenue Aristide Briand, Arcueil Cedex, 94117, FR)
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Claims:
REVENDICATIONS

1 - Filtre accordable comportant au moins deux résonateurs accordables (30, 40), un résonateur comprenant au moins une inductance ou ligne de transmission (31 ), ladite inductance ou ligne de transmission ayant une première extrémité (31 A) connectée à la masse M et une deuxième extrémité (31 B) couplée à un autre résonateur via une impédance de couplage (32), et plusieurs capacités commutées (33i) caractérisé en ce que :

• Ladite inductance ou ligne de transmission (31 ) comporte plusieurs points d'accès (31 i) ou points de connexion distribués le long de ladite inductance (31 ) permettant de connecter ou non une capacité commutée (33i) dont la valeur est définie en fonction de sa position sur l'inductance,

• Les capacités de poids faibles appartenant aux capacités commutées sont situées près de l'extrémité de l'inductance reliée à la masse M,

• Les valeurs des capacités et leurs positions sur l'inductance sont définies de façon à ce que l'impédance du résonateur soit maintenue constante dans toute la bande d'accord du filtre accordable, et l'impédance du résonateur est maintenue constante à la

fréquence de résonance accordable

2 - Filtre accordable selon la revendication 1 caractérisé en ce que le nombre N de capacités et la ou les capacités à activer sont fixés en fonction du pas de variation 5f de fréquence et de la plage de fonctionnement

[FminjFmax].

3 - Filtre accordable selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte une diode PIN (34) reliée à une capacité commutée, ladite diode étant adaptée à commuter ladite capacité commutée sur réception d'une commande de commutation (35).

4 - Filtre accordable selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la position des points d'accès et les valeurs de capacité commutées sont choisies afin d'obtenir pour le filtre une valeur d'impédance interne à la fréquence centrale Fc vue par le filtre à la deuxième extrémité (31 B) de ladite inductance proche de l'impédance de couplage (32) quasi constante.

5 - Filtre accordable selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la bande de fréquence de fonctionnement est la bande Très Haute Fréquence VHF. 6 - Filtre accordable selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la bande de fréquence de fonctionnement est la bande Ultra Haute Fréquence UHF.

7 - Emetteur/récepteur radio caractérisé en ce qu'il comporte un ou plusieurs filtres accordables selon l'une des revendications précédentes.

8 - Procédé mis en œuvre dans un filtre accordable fonctionnant dans une plage de fréquence [Fmin, Fmax] avec une fréquence d'accord FacCord selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que :

· On définit le nombre N de capacités, leur position en fonction de la plage de fréquence et du pas de fréquence,

• On choisit le nombre de capacités à commuter afin d'obtenir une largeur de bande passante constante et une bande de réjection constante avec la fréquence d'accord.

Description:
FILTRE ACCORDABLE A INDUCTANCE VARIABLE

L'invention concerne un filtre accordable à inductance variable. Elle est par exemple utilisée pour des émetteurs/récepteurs radios. Elle concerne aussi des filtres de puissance, très haute fréquence ou Very High Frequency, VHF, et ultra haute fréquence ou en anglo-saxon Ultra High Frequency, UHF.

Le fonctionnement en cosite des émetteurs/récepteurs radios génère une dégradation dans le fonctionnement des postes radios, lorsqu'ils sont en situation de proximité entre un émetteur et un récepteur d'un autre réseau ceci, en raison du bruit hors bande émis par l'émetteur et/ou de la désensibilisation d'un récepteur par des émetteurs proches. Dans le domaine UHF et une partie de la bande VHF, on recherche une canalisation de largeur de bande fixe et donc des filtres cosite de largeur de bande passante et de réjection constantes avec la fréquence d'accord. Or, les filtres accordables sont « naturellement » à facteur de qualité fntre constant. Cela signifie que le filtre s'élargit proportionnellement avec la fréquence d'accord.

La topologie des filtres accordables fait appel à des éléments résonnants constitués d'inductances ou de lignes de transmission (barreaux) fixes. L'accord est réalisé au moyen de capacités variables mises en parallèle à une extrémité de l'inductance ou du barreau résonnant. Le problème est que le facteur de qualité ou la surtension du filtre est de la forme :

Q filtre = FréquenceCentrale I BandePassante

et d'autre part

Qfiltre = ImpédanceCouplage I Impédance Interne

(Impédance Interne du résonnateur à la fréquence centrale).

Comme on veut une bande passante constante, on en déduit :

Qfiltre = k. FréquenceCentrale

ImpédanceCouplage = k'. Impédance Interne. FréquenceCentrale Comme dans la topologie classique des filtres, l'impédance interne du filtre est de la forme Ι_ω (inductance fixe) ou Z 0 .tanû ( Z 0 .flf 0 , pour un barreau court), on en déduit :

ImpédanceCouplage≥ k". (FréquenceCentrale) 2 .

Ceci est techniquement et physiquement difficile à réaliser, en respectant le critère d'une bonne proportionnalité et donc d'une bonne constance de la bande passante du filtre sur une large plage d'accord de la fréquence centrale.

La figure 1 illustre un filtre accordable de forte puissance selon l'art antérieur. Le filtre comporte deux résonateurs 10 constitués de barreaux ou d'inductances fixes 1 1 accordés par une banque de capacités commutées 12.

La figure 2 illustre une variante de filtre accordable, comprenant une inductance de valeur fixe (constante) 20 et plusieurs capacités fixes commutées 21 i. Les capacités fixes commutées, présentant des valeurs étagées, sont toutes regroupées en bout de barreau ou inductance au point B et commutées par des diodes de type PIN 22 activées par un contrôle de diode 23. La valeur de l'inductance est fixe et l'impédance interne du filtre est proportionnelle à la fréquence d'accord.

Malgré les avantages qu'ils procurent, les filtres selon l'art antérieur ne font qu'approximer la réponse recherchée du filtre du fait de la complexité, voire de l'impossibilité, de synthétiser l'impédance de couplage nécessaire. Certaines topologies de filtre font appel à des impédances accordables pour le couplage au détriment des pertes du filtre.

II existe donc un besoin de disposer d'un filtre présentant une largeur de bande passante et une bande de réjection constantes avec la fréquence d'accord.

Le procédé selon l'invention consiste, notamment, à maintenir l'impédance interne du filtre constante ou pratiquement constante en fonction de la fréquence d'accord F acC ord au moyen de capacités commutées fixes, dont les positions sont distribuées le long de l'inductance formant le résonateur et présentant des valeurs variables en fonction de leur position.

L'invention concerne un filtre accordable comportant au moins deux résonateurs accordables, un résonateur comprenant au moins une inductance ou ligne de transmission, ladite inductance ou ligne de transmission ayant une première extrémité connectée à la masse M et une deuxième extrémité couplée à un autre résonateur via une impédance de couplage et plusieurs capacités commutées caractérisé en ce que :

• Ladite inductance ou ligne de transmission comporte plusieurs points d'accès ou points de connexion distribués le long de ladite inductance permettant de connecter ou non une capacité commutée dont la valeur est définie en fonction de sa position sur l'inductance,

• Les capacités de poids faibles appartenant aux capacités commutées sont situées près de l'extrémité de l'inductance reliée à la masse M,

• Les valeurs des capacités et leurs positions sur l'inductance sont définies de façon à ce que l'impédance du résonateur soit maintenue constante dans toute la bande d'accord du filtre accordable, et l'impédance du résonateur /— est maintenue constante à la fréquence de résonance accordable— , 1

Le nombre N de capacités et la ou les capacités à activer sont, par exemple, fixés en fonction du pas de variation 5f de fréquence et de la plage de fréquences de fonctionnement [F min , F max ] du filtre.

Les capacités sont, par exemple, reliées à des diodes PIN adaptées à réaliser leur commutation.

La position des points d'accès et les valeurs de capacité commutées peuvent être choisies afin d'obtenir pour le filtre une valeur d'impédance interne à la fréquence centrale F c vue par le filtre à la deuxième extrémité de ladite inductance proche de l'impédance de couplage quasi constante.

La bande de fréquence est la bande VHF ou la bande UHF.

Le filtre selon l'invention est utilisé par exemple dans un émetteur/récepteur radio.

L'invention concerne aussi un procédé mis en œuvre dans un filtre accordable selon l'invention fonctionnant dans une plage de fréquence [F min , Fmax] avec une fréquence d'accord F acC ord, caractérisé en ce que :

• On définit le nombre N de capacités, leur position en fonction de la plage de fréquence et du pas de fréquence,

• On choisit le nombre de capacités à commuter afin d'obtenir une largeur de bande passante constante et une bande de réjection constante avec la fréquence d'accord.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés à titre illustratif, annexée des figures qui représentent :

• Figure 1 , une première architecture d'un filtre accordable selon l'art antérieur,

• Figure 2, la moitié d'un filtre accordable comprenant une banque de capacités commutées, et

• Figure 3, une illustration d'un filtre selon l'invention.

L'un des objectifs est d'obtenir une impédance constante 2 ^ à la fréquence de résonance Le problème est le ratio

de l'impédance du résonateur par rapport à l'impédance de couplage, ce qui va définir la bande passante du filtre passe bande recherché. Pour cela, les petits poids de capacité correspondant aux fréquences élevées sont associés physiquement à une faible valeur de réactance en étant plus près de l'extrémité à la masse. Les capacités de poids plus forts sont au contraire très éloignées de la masse afin d'être mises en parallèle avec une self importante.

La figure 3 illustre un exemple de filtre selon l'invention dans lequel les capacités sont réparties ou distribuées le long de l'inductance entre une première extrémité de l'inductance reliée à la masse et une deuxième extrémité reliée au reste du filtre.

L'idée mise en œuvre est de faire varier électriquement la valeur de l'inductance équivalente, simultanément avec la commutation des poids capacitifs (capacités de valeurs variables en fonction de la position), afin de conserver une valeur de bande passante sensiblement constante et faire varier la fréquence selon un plan de fréquences [F min , F max ] défini par une application donnée. Le plan de fréquences définit, par exemple, les différentes fréquences à utiliser et le pas de fréquence AF avec lequel on va faire varier les fréquences.

Pour construire l'architecture du filtre selon l'invention, on va donc maintenir l'impédance interne constante en fonction de la fréquence d'accord Faccord et pour cela rendre la valeur de l'inductance ou la longueur électrique du barreau variable avec la fréquence dans le sens suivant :

Basses fréquences d'accord - fortes valeurs d'inductance équivalentes, Hautes fréquences d'accord - faibles valeurs d'inductance équivalentes.

La figure 3 illustre un exemple d'architecture du filtre selon l'invention, sur laquelle seul un demi-élément résonateur du filtre est détaillé pour des raisons de simplification de lecture, le filtre fonctionnant dans une plage de fréquence [F MIN , F MAX ]. La partie symétrique du filtre, deuxième résonateur 40 comprend des éléments identiques à ceux décrits pour le résonateur 30 et sera déduite de la description qui va suivre, sans difficulté par l'homme du métier.

Sur la figure 3, le résonateur 30 comporte plusieurs capacités commutées qui sont distribuées le long de l'inductance 31 . Une première extrémité 31 A de l'inductance est raccordée à la masse M. Une deuxième extrémité 31 B est raccordée, à l'aide d'une impédance de couplage 32 comme indiqué figure 1 , à un autre résonateur 40 non détaillé pour des raisons de simplification. L'inductance comporte plusieurs points d'accès 31 i ou points de connexion répartis sur sa longueur, les points d'accès servant à la connexion des capacités commutées qui vont être mises en connexion en fonction des valeurs souhaitées. Le filtre comprend par exemple N capacités commutées 33i commandées par une diode PIN 34 reliée à une commande d'activation 35.

Une capacité commutée 33i est positionnée en un point 31 i de l'inductance. Ce point peut être repéré par sa distance di comptée à partir d'une des extrémités 31 A, 31 B de l'inductance 31 . Dans l'exemple, le point de connexion de la capacité est repéré par rapport à la deuxième extrémité 31 B de l'inductance.

Les capacités commutées sont réparties le long de l'inductance de la manière suivante : les capacités de poids forts, correspondant aux basses fréquences d'accord, donc à une valeur d'inductance équivalente vue au point 31 B élevée, sont disposées plus loin de la masse que les capacités de poids faibles, correspondant aux hautes fréquences qui sont disposées près de la masse vers la première extrémité 31 A de l'inductance.

Les valeurs des capacités et leurs positions sur l'inductance sont définies de façon à ce que l'impédance du résonateur soit maintenue constante dans toute la bande d'accord du filtre accordable. L'impédance du résonateur

est maintenue constante à la fréquence de résonance accordable— [ ==Ί

La valeur de l'inductance équivalente L equi , va varier électriquement, en jouant sur le nombre de capacités commutées connectées et le choix de leur position le long de l'inductance. L'idée sera de connecter certaines des capacités C,. En faisant varier la valeur de l'inductance et aussi la valeur de la capacité totale du filtre (correspondant à l'ensemble des capacités commutées connectées pour une configuration donnée), il est possible de conserver pour le filtre une impédance constante en fonction de la fréquence d'accord et de ce fait une valeur de bande passante constante pour le filtre.

Le nombre N de capacités commutées est, par exemple, choisi en fonction du pas de fréquence 5f à explorer dans la bande de fréquence F max ] pour une application donnée.

Les valeurs et la position des capacités C, mises en fonction par commutation sont choisies en fonction des valeurs de fréquence désirées dans la bande d'accord du filtre. La banque de capacités est répartie sur toute la longueur de l'inductance donnant par commutation des capacités, l'équivalent d'une inductance variable en fréquence par variation de la longueur électrique

Le positionnement, distance d, d'une capacité par rapport à une des extrémités de l'inductance participe à la définition de la valeur de l'inductance L. Par exemple, en activant la capacité 33-i , on définit une valeur d'inductance L-ι égale à la valeur totale de l'inductance - la valeur d'inductance correspondant à d-i . Le nombre et le choix des capacités commutées activées en fonction de leur emplacement sur l'inductance sont fonction par exemple de la valeur de fréquence à obtenir et de la résolution souhaitée en fréquence.

En première approximation, on veut une impédance constante, ce qui induit que doit être constant et donc que l'inductance est

proportionnelle à la capacité. On aura la Fréquence Centrale F c du filtre proportionnelle à et donc C, doit être proportionnel à l'inverse de la fréquence centrale, ainsi que U, qui est la valeur d'inductance équivalente au point 31 B-

L'exemple chiffré qui suit est donné afin d'illustrer la façon de définir les caractéristiques des capacités, à titre d'exemple. Le résultat sera affiné par simulation selon des méthodes connues de l'homme du métier. Le nombre de capacités commutées est déterminé en première approximation par df/f = résolution du filtre (à la fréquence la plus élevée) = 1 / 2 N , où N est le nombre de capacités en première approximation étagées de deux en deux en valeurs. Par exemple, si à 500 MHz un pas de 0.5 MHz est recherché, il faut au moins 1024 valeurs de capacités soit 10 bit / 10 valeurs distinctes de capacités étagées de deux en deux.

Selon une première variante de réalisation, un point d'accès pour une capacité peut être disposé tous les demi-tours de l'inductance lorsque cette dernière se présente sous la forme d'une bobine.

Les explications qui ont été données s'appliquent dans des filtres comprenant une ligne de transmission « courte » devant la longueur d'onde λ/4, la ligne pouvant être modélisée par une self pour les basses fréquences.

Le filtre accordable selon la présente invention offre notamment les avantages suivants :

• Une réponse à bande constante naturelle sans approximation,

• Une constante de la réponse du filtre, bande passante et réjection, avec la fréquence d'accord,

• Une possibilité d'optimiser le filtre, sans compromis, sur de larges bandes d'accord.

Les valeurs de capacité et leur position spatiale choisies permettent notamment :

- De couvrir des bandes d'accord pouvant être

supérieures à l'octave pour un filtre de puissance (ayant des éléments parasites importants),

- De maintenir une impédance de résonateur constante dans toute la plage d'accord,

• Ce qui permet, avec un couplage inductif simple entre les résonateurs, d'obtenir un filtre à bande quasi constante dans une large bande d'accord.