FR2509537A1

FR2509537A1 - DIELECTRIC RESONATOR PASSER FILTER

Info

Publication number: FR2509537A1
Application number: FR8103987A
Authority: FR
Inventors: Jacques Delaballe; Jean Fouillet; Alexandre Osias
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1981-02-27
Filing date: 1981-02-27
Publication date: 1983-01-14
Also published as: ATE13956T1; DE3264176D1; EP0060174A1; FR2509537B1; EP0060174B1

Abstract

FILTRE PASSE-BANDE A RESONATEURS DIELECTRIQUES PRESENTANT UN GRAND COEFFICIENT DE SURTENSION. CE FILTRE EST REALISE A L'AIDE D'UN GUIDE D'ONDES 1 DONT LES DIMENSIONS DE LA SECTION SONT DE L'ORDRE DE 2,5 FOIS CELLES DE LA SECTION DES RESONATEURS. LES ELEMENTS DE COUPLAGE D'ENTREE A ET DE SORTIE A SONT DES ANTENNES ORIENTEES SELON L'AXE LONGITUDINAL XX DU GUIDE; DES RESONATEURS R-R SONT DISPOSES SENSIBLEMENT SELON CE MEME AXE LONGITUDINAL. LES RESONATEURS SONT EXCITES SELON LE MODE TM ET LE TRANSFERT D'ENERGIE SE FAIT GRACE AUX LIGNES DE CHAMP DU MODE GUIDE TM. APPLICATION AU DOMAINE DES FILTRES EN HYPERFREQUENCE.BAND-PASS FILTER WITH DIELECTRIC RESONATORS PRESENTING A LARGE OVERVOLTAGE COEFFICIENT. THIS FILTER IS REALIZED USING A 1 WAVE GUIDE WHOSE SECTION DIMENSIONS ARE OF THE ORDER OF 2.5 TIMES THOSE OF THE RESONATORS SECTION. THE INPUT A AND OUTPUT A COUPLING ELEMENTS ARE ANTENNAS ORIENTED ACCORDING TO THE LONGITUDINAL AXIS XX OF THE GUIDE; R-R RESONATORS ARE SENSITIVELY ARRANGED ON THIS SAME LONGITUDINAL AXIS. THE RESONATORS ARE EXCITED ACCORDING TO THE TM MODE AND THE ENERGY TRANSFER IS VIA THE FIELD LINES OF THE GUIDE TM MODE. APPLICATION TO THE FIELD OF HYPERFREQUENCY FILTERS.

Description

FILTRE PASSE-BANDE A RESONATEURS DIELECTRIQUESDIELECTRIC RESONATOR PASSER FILTER

La présente invention se rapporte à un filtre passe-bande à résona- The present invention relates to a resonant bandpass filter

teurs diélectriques, comportant un guide d'ondes fonctionnant au-dessous de sa fréquence de coupure, une antenne d'entrée et une -antenne de sortie respectivement disposées aux deux extrémités du guide et N résonateurs (n entier positif) disposés en série à l'intérieur du guide Des filtres de ce type sont connus qui fonctionnent par couplage direct des résonateurs diélectriques avec les éléments de couplage d'entrée et de sortie Ce couplage direct se fait par les champs rayonnés par les résonateurs diélectriques Les coefficients de surtension à vide de ces filtres ne dépassent pas 4 000 en raison du -mode de résonance TE 011 utilisé pour les résonateurs, ces derniers ne présentant pas un coefficient de surtension très important (par exemple 6 000 à 5 G Hz), et en raison de ce que, pour obtenir le couplage important nécessaire au fonctionnement du filtre, dielectric resonators, having a waveguide operating below its cutoff frequency, an input antenna and an output antenna respectively disposed at both ends of the guide and N resonators (n positive integer) arranged in series at the The filters of this type are known to work by direct coupling of the dielectric resonators with the input and output coupling elements. This direct coupling is done by the fields radiated by the dielectric resonators. these filters do not exceed 4000 because of the resonance mode TE 011 used for the resonators, the latter not having a very large overvoltage coefficient (for example 6 000 to 5 G Hz), and because, to obtain the important coupling necessary for the operation of the filter,

l'élément de couplage (antenne ou boucle) doit être très proche du résona- the coupling element (antenna or loop) must be very close to the resonator

teur et ainsi détériore le coefficient de surtension. and thus deteriorates the overvoltage coefficient.

En fait le mode TE 011 est utilisé dans ces filtres connus car il est facilement excitable en utilisant des antennes ou des boucles; la hauteur et la largeur du guide d'ondes sont prises de l'ordre de trois fois plus grandes In fact, the mode TE 011 is used in these known filters because it is easily excitable using antennas or loops; the height and width of the waveguide are taken on the order of three times larger

que, respectivement, la hauteur et le diamètre des résonateurs. that, respectively, the height and diameter of the resonators.

Il existe également des filtres passe-bande à résonateurs diélectri- There are also bandpass filters with dielectric resonators

ques qui fonctionnent en mode évanescent; dans ces filtres le couplage entre résonateurs s'effectue par l'intermédiaire des champs d'un guide d'ondes fonctionnant en dessous de sa fréquence de coupure tandis que le couplage des résonateurs extrêmes avec les éléments de couplage d'entrée' which operate in evanescent mode; in these filters the coupling between resonators is effected via the fields of a waveguide operating below its cut-off frequency while the coupling of the extreme resonators with the input coupling elements'

et de sortie dont ils sont voisins se fait comme dans le cas précédent, c'est- and exit from which they are neighbors is done as in the previous case, that is,

à-dire que les éléments de couplage d'entrée et de sortie sont directement placés dans lez lignes de champ des résonateurs Mais, là encore, les that is, the input and output coupling elements are directly placed in the field lines of the resonators. But, again, the

coefficients de surtension ne dépassent pas 4 000. Surge coefficients do not exceed 4,000.

Le but de la présente invention est de réaliser des -filtres à résonateurs diélectriques, présentant un coefficient de surtension nettement The object of the present invention is to provide dielectric resonator filters having a significantly higher overvoltage coefficient.

supérieur à celui des filtres à résonateurs diélectriques connus. higher than that of known dielectric resonator filters.

Ceci est obtenu, en particulier, en utilisant le mode de résonance TM 011 des résonateurs qui entraîne une surtension supérieure à celle du mode TE 011. Il est à noter qu'il a été démontré, lors de travaux effectués au laboratoire d'électronique des microondes de l'université de Limoges dans un groupe de travail dirigé par MM GARAULT et GUILLON, que le mode This is achieved, in particular, by using the resonator resonator mode TM 011 which results in an overvoltage higher than that of the TE 011 mode. It should be noted that it has been demonstrated during work carried out in the electronics laboratory of microwaves of the University of Limoges in a working group led by MM GARAULT and GUILLON, that the mode

TM 011 d'un résonateur diélectrique cylindrique a un coefficient de surten- TM 011 of a cylindrical dielectric resonator has a coefficient of over-

sion supérieur à celui du mode T Eo Q l ce qui laissait supposer que lutilisation du mode TM,), pouvait être avantageuse dans le cadre du fonctionnement de filtres à résonateurs diélectriques Il est également à noter que la réalisation d'un tel filtre n'est pas évidente étant donné que, dans le mode TM 011, lénergie électromagnétique est plus confinée (confined mode dans la littérature anglo-saxonne) au voisinage du résonateur, c'est-à-dire que le gradient d'énergie est plus grand et que, de ce fait, les problèmes de It is also noted that the production of such a filter can be advantageous in the context of the operation of dielectric resonator filters. is not obvious since, in the TM 011 mode, the electromagnetic energy is more confined (confined mode in the English literature) in the vicinity of the resonator, that is to say that the energy gradient is larger and that, as a result, the problems of

couplage sont plus ardus à résoudre. coupling are more difficult to solve.

Selon linvention un filtre passe-bande à résonateurs diélectriques, comportant un guide d'ondes fonctionnant au-dessous de sa fréquence de coupure, une antenne dentrée et -une antenne de sortie respectivement disposées aux deux extrémités du guide et N résonateurs (n entier positif) disposés en série à l'intérieur du guide, est caractérisé en ce que, de manière à faire résonner les résonateurs selon le mode TM 011 et à faire propager dans le guide un mode TM dont la fréquence de coupure soit supérieure à According to the invention a dielectric resonator band pass filter, having a waveguide operating below its cutoff frequency, an input antenna and an output antenna respectively disposed at both ends of the guide and N resonators (n positive integer). ) arranged in series inside the guide, is characterized in that, so as to resonate the resonators according to TM 011 mode and propagate in the guide mode TM whose cutoff frequency is greater than

celle du mode TM 011 des résonateurs, les dimensions de la section transver- that of the TM 011 mode of the resonators, the dimensions of the transverse section

sale du guide sont de l'ordre de 2,5 fois les dimensions transversales des dirty of the guide are of the order of 2.5 times the transverse dimensions of the

résonateurs, les résonateurs sont disposés sensiblement selon l'axe longitudi- resonators, the resonators are arranged substantially along the longitudinal axis

nal du guide et les antennes sont disposées dans le sens de la propagation dans le guide nal of the guide and the antennas are arranged in the direction of propagation in the guide

La présente invention sera mieux comprise et d'autres caractéristi- The present invention will be better understood and other characteristics

ques apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des figures s'y. will appear with the aid of the description below and the figures therein.

rapportant -qui représentent: la figure 1-, un filtre selon l'invention, couvercle enlevé Referring to FIG. 1, a filter according to the invention, lid removed

la figure 2, une vue en coupe du filtre de la figure 1 avec son- FIG. 2 is a sectional view of the filter of FIG.

couvercle. Pour avoir un filtre passe-bande il faut que la fréquence de résonance des résonateurs soit inférieure à la fréquence de coupure du mode lid. To have a bandpass filter it is necessary that the resonance frequency of the resonators is lower than the cutoff frequency of the mode

de propagation le plus bas excité dans le guide. of the lowest spread excited in the guide.

Pour faire résonner un résonateur, placé dans un guide d'ondes, selon le mode TM 011 il ne faut pas exciter le mode fondamental (TE 01) du guide 3dont la fréquence de coupure est inférieure à la fréquence de résonance du mode TM 011 des résonateurs diélectriques; pour éviter d'avoir ce problème il suffirait de prendre un guide d'ondes à section suffisamment faible par rapport à la rongeur d'onde de travail mais il en résulterait des pertes par effet Joule importantes, dans les parois du guide. Le principe est d'éviter d'exciter un mode TE du guide pour n'exciter qu'un mode de type TM, ce qui entraîne l'utilisation, comme éléments de couplage, d'antennes orientées suivant la direction de propagation dans le guide. Par ailleurs afin d'éviter les pertes par effet Joule dans les parois la largeur et la hauteur de la section du guide seront prises de l'ordre de 2,5 To resonate a resonator, placed in a waveguide, according to the mode TM 011 it is not necessary to excite the fundamental mode (TE 01) of the guide 3dont the cutoff frequency is lower than the resonance frequency of the mode TM 011 of dielectric resonators; to avoid having this problem it would suffice to take a waveguide section sufficiently small compared to the working wave rodent but it would result in significant loss Joule effect in the walls of the guide. The principle is to avoid exciting a TE mode of the guide to excite a TM type mode, resulting in the use, as coupling elements, antennas oriented in the direction of propagation in the guide . Moreover, in order to avoid losses by Joule effect in the walls, the width and height of the section of the guide will be taken from the order of 2.5

fois respectivement le diamètre et la hauteur des résonateurs. times respectively the diameter and the height of the resonators.

En ce qui concerne le mode de couplage entre l'antenne d'entrée et le premier résonateur, c'est-à-dire le résonateur le plus proche de cette antenne, il est à remarquer que la configuration des lignes de champ du With regard to the coupling mode between the input antenna and the first resonator, that is to say the resonator closest to this antenna, it should be noted that the configuration of the field lines of the

mode guidé TM,1 permet d'exciter le mode TMOI 1 dans le premier résona- guided mode TM, 1 makes it possible to excite the mode TMOI 1 in the first resonance

teur; or pour exciter le mode T Mil dans le guide il faut que l'antenne d'entrée soit disposée selon laxe longitudinal du guide car c'est là que le champ électrique est maximum en mode TM 11; d'autre part lantenne d'entrée peut être placée relativement loin du premier résonateur de manière à ne pas le perturber tout en y étant couplée de manière efficace tor; to excite the mode T Mil in the guide it is necessary that the input antenna is arranged along the longitudinal axis of the guide because it is there that the electric field is maximum mode TM 11; On the other hand, the input antenna can be placed relatively far from the first resonator so as not to disturb it while effectively coupled to it.

par les lignes de champ.by the field lines.

En ce qui concerne le couplage entre deux résonateurs successifs, il est à noter qu'un résonateur résonnant selon le mode TM est assimilable 01,1 à un dipôle électrique; or un dipôle électrique placé dans un guide d'ondes excite tous les modes du guide d'ondes qui ont une composante de champ électrique parallèle à la direction du dipôle donc notamment le mode TM ce qui permet la transmission d'énergie d'un résonateur à -lautre par With regard to the coupling between two successive resonators, it should be noted that a resonator resonator according to the TM mode is comparable to 01.1 an electric dipole; or an electric dipole placed in a waveguide excites all modes of the waveguide which have an electric field component parallel to the direction of the dipole so in particular the TM mode which allows the energy transmission of a resonator to -other

l'intermédiaire des champs de ce mode. through the fields of this mode.

Pour ce qui est du couplage entre le dernier résonateur et l'antenne de sortie, ce qui a été dit pour le couplage entre l'antenne d'entrée et le With regard to the coupling between the last resonator and the output antenna, what has been said for the coupling between the input antenna and the

premier résonateur s'applique, au sens de propagation près des ondes. first resonator applies, in the direction of propagation near the waves.

Ces considérations ont conduit à la réalisation du filtre -selon les figures 1 et 2, qui sont deux vues différentes d'un même filtre selon These considerations led to the realization of the filter -according to FIGS. 1 and 2, which are two different views of the same filter according to

l'invention.the invention.

La figure 1 montre le -filtre vu de dessus, couvercle enlevé et la figure 2 montre ce filtre, couvercle remis, vu dans une coupe par un plan perpendiculaire au plan de la figure 1 et passant par une droite XX de la figure 1 Ces figures montrent que le filtre est formé par un guide d'ondes 1 associé, pour former un boîtier, à deux plaques, 2 et 3, solidaires de ses extrémités Le couvercle dont il a été question ci-avant est un couvercle,10, qui apparaît sur la figure 2, il est constitué par lun des côtés du guide d'ondes Ce guide c Pd'ondes est un guide dondes de section carrée de 30 mm de FIG. 1 shows the filter seen from above, with the lid removed and FIG. 2 shows this filter, the lid being replaced, seen in a section through a plane perpendicular to the plane of FIG. 1 and passing through a line XX in FIG. show that the filter is formed by an associated waveguide 1, to form a housing, with two plates, 2 and 3, integral with its ends The lid which has been mentioned above is a cover, 10, which appears in FIG. 2, it consists of one of the sides of the waveguide. This guide is a waveguide with a square section of 30 mm.

côté, et a une longueur de 206 mrm. side, and has a length of 206 mrm.

Sur les figures 1 et 2 a été représenté l'axe longitudinal XX du guide d'ondes c'est-à-dire l'axe passant par le point d'interception des diagonales des sections du guide Deux antennes Ae, As, respectivement solidaires des plaques 2 et 3 par l'intermédiaire de prises de raccordemenit 20, 30 qui les isolent des plaques, sont disposées selon l'axe XX, c'est-à-dire selon le sens de propagation des ondes dans le guide Entre les antennes A et A sont e S successivement disposés, sensiblement selon l'axe XX, quatre résonateurs diélectriques R 1, R 2, R 3, R 4 qui reposent respectivement sur quatre supports 51, 52, 53, 54 Ces quatre supports sont des supports en couronnes réalisés en un matériau diélectrique à faible permittivité; ils reposent sur la face du guide d'ondes opposée au couvercle 10 Cette disposition des antennes Ae Aset des résonateurs Rli, R 2, R 3,R 4, comme il a été indiqué dans ce qui précède,permet que le couplage de l'antenne Ae avec le e résonateur R 1, des résonateurs successifs entre eux et du résonateur R 4 avec l'antenne de sortie As se fasse par l'intermédiaire des lignes de champ du mode guidé TM 11 Afin de rendre possible un réajustement du réglage du filtre, des vis draccord V 1 à V 5 sont prévues; ces vis d'accord traversent le couvercle 10, sensiblement à mi-distance entre l'antenne d'entrée Ae et le résonateur R 1 entre les résonateurs R 1 et R 2, R 2 et R 3, R 3 et R 4 et entre le résonateur R 4 et l'antenne de sortie As Le filtre qui vient d'être décrit est un filtre méplat, à quatre pôles, présentant un coefficient de surtension Q O de 7 000 à 5 G Hz Les autres caractéristiques du filtre sont les suivantes: bande passante: 20 M Hz FIGS. 1 and 2 show the longitudinal axis XX of the waveguide, that is to say the axis passing through the interception point of the diagonals of the sections of the guide. Two antennas Ae, As, respectively integral. plates 2 and 3 through connection jacks 20, 30 which isolate them from the plates, are arranged along the axis XX, that is to say in the direction of propagation of the waves in the guide Between the antennas A and A are successively arranged, substantially along the axis XX, four dielectric resonators R 1, R 2, R 3, R 4 which rest on four supports 51, 52, 53, 54, respectively. crowns made of a low permittivity dielectric material; they are based on the face of the waveguide opposite the cover 10 This arrangement of the antennas Ae Aset resonators Rli, R 2, R 3, R 4, as has been indicated in the above, allows the coupling of the antenna Ae with the resonator R 1, successive resonators between them and the resonator R 4 with the output antenna As is via the field lines of the guided mode TM 11 In order to make possible a readjustment of the setting of the filter, screws V V to V 5 are provided; these tuning screws pass through the cover 10, substantially midway between the input antenna Ae and the resonator R 1 between the resonators R 1 and R 2, R 2 and R 3, R 3 and R 4 and between the resonator R 4 and the output antenna As The filter which has just been described is a four-pole flat filter having a QO overvoltage coefficient of 7000 to 5 GHz. The other characteristics of the filter are as follows: bandwidth: 20 M Hz

-réglage possible de la bande passante de + 10 %. - possible setting of the bandwidth of + 10%.

L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit c'est ainsi que tous les guides cd'ondes à section rectangulaire peuvent être utilisés et pas seulement ceux dont les quatre côtés de la section sont égaux et qu'un The invention is not limited to the described embodiment so that all rectangular waveguides with rectangular section can be used and not only those whose four sides of the section are equal and that

nombre de résonateurs différent de quatre peut être employé. number of resonators different from four can be used.

Il est également possible d'utiliser des guides cylindriques avec des résonateurs fonctionnant selon le mode TM 011; dans ce cas pour que le mode de fonctionnement du guide soit, comme avec les guides rectangulaires, un mode TM dont la fréquence de coupure soit supérieure à celle du mode TM 011 des résonateurs, il faut prendre le mode TM 01 ce qui conduit aux mêmes considérations, en ce qui concerne les dimensions et la disposition It is also possible to use cylindrical guides with resonators operating according to TM 011 mode; in this case, so that the operating mode of the guide is, as with the rectangular guides, a TM mode whose cutoff frequency is greater than that of the mode TM 011 of the resonators, it is necessary to take the mode TM 01 which leads to the same considerations, in terms of dimensions and layout

des éléments, qu'avec les guides rectangulaires. elements, only with the rectangular guides.

Il est aussi à noter que les résonateurs cylindriques dont il a été' It should also be noted that the cylindrical resonators of which it was

question peuvent être remplacés par des résonateurs sphériques. question can be replaced by spherical resonators.

Claims

A dielectric resonator band-pass filter comprising a waveguide (1) operating below its cut-off frequency, an input antenna (A e) and an output antenna (A respectively disposed at both ends of the guide and N resonators (n positive integer) (R 1 -R 4) Y arranged in series inside the guide, characterized in that, so as to resonate the resonators according to the mode TM ,, 1 and to propagate in the guides a mode TM whose cutoff frequency is greater than that of the mode TM 011 of the resonators, the dimensions of the cross section of the guide are of the order of 2.5 times the transverse dimensions of the resonators, the resonators are arranged substantially along the longitudinal axis (XX) of the guide and the antennas are arranged in the direction of propagation in the guide.

2 bandpass filter according to claim 1, characterized in that the guide is a rectangular guide, in that the mode of propagation in the guide is TM 11 mode and that the resonators are cylindrical resonators.

3 bandpass filter according to claim 1, characterized in that it comprises at least one adjusting element consisting of a tuning screw (V 1 -V 5) which passes through the wall of the waveguide and whose depth of

penetration into the waveguide is adjustable.