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Nos technologies de filtres

28 septembre 2021par alexandre.manchec

Les technologies de filtres

Pour la conception de filtres (passe bande, coupe bande passe bas et passe haut), la technologie microruban est largement utilisée en raison de son faible encombrement, de sa bonne compatibilité avec d’autres circuits externes, de son faible coût de fabrication et d’une bonne reproductibilité. Cependant, cette technologie ne permet pas d’obtenir des résonateurs à forts coefficients de qualité. De plus, c’est une structure ouverte ou les problèmes de sensibilité à l’environnement sont à regarder de près. Pour pallier à ces problèmes, on peut s’orienter vers les solutions triplaques ou vers les guides d’ondes pour lesquels les problèmes du rayonnement n’existent plus, et qui permettent pour ce dernier d’obtenir de bons facteurs de qualité. De plus, les guides d’ondes tolèrent les signaux à fortes puissances. Ils sont malheureusement très encombrants et leur intégration avec d’autres circuits planaires ou MMIC n’est pas aisée. Il existe alors les structures SIW qui réalisent un compromis entre structures volumiques et planaires. Elle consiste à intégrer les dispositifs réalisés en technologie volumique comme par exemple les guides d’ondes rectangulaires dans un substrat diélectrique selon des processus de fabrication planaire. Ce qui se traduit par une diminution de coût de fabrication et une bonne compatibilité avec d’autres circuits tout en conservant un facteur de qualité élevé.

Elliptika dispose donc de technologies et de techniques de réalisation de filtres hyperfréquences diverses et variées. Sur la figure I, vous pouvez comparer les différentes technologies de filtres en termes de taille, de pertes d’insertion et de coefficient de qualité associé.

Comparaison des performances des technologies de filtres en fonction de leur encombrement et de leur coût

Figure n°1 Comparaison des performances des technologies de filtres en fonction de leur encombrement et de leur coût.

technologie planaire

La technologie planaire est très largement utilisée dans le domaine du filtrage hyperfréquence car elle permet une taille réduite et une grande souplesse topologique. En effet, la fabrication des circuits est bien maitrisée, reproductible et a un faible coût de fabrication. Cette technologie est constituée d’une plaque de substrat diélectrique métallisée sur une ou deux faces. On peut distinguer alors plusieurs implémentations possibles : microruban, coplanaire, multicouche ou triplaque.

Technologie microruban

Cette technologie est composée d’un ruban métallique situé sur une face du substrat et d’un plan de masse, situé sur l’autre face. Le mode fondamental de propagation d’une telle structure est un mode quasi TEM (figure 2). A partir de cette technologie nous pouvons réalisé des filtres  passe bande, coupe bande, passe bas et passe haut en technologie circuit imprimé dont l’intérêt sera le coût réduit ( figure n° 3 a), en céramique à forte permittivité dans le but de réduire fortement l’encombrement (figure 3b) par exemple.

https://www.elliptika.com/wp-content/uploads/2021/09/ligne_microruban.png

Figure n°2. technologie microruban

Stub quart d’onde et ligne 50 Ohm connectorisés avec des connecteurs southwest

Figure n°3 (a). Stub quart d’onde et ligne 50 Ohm connectorisés avec des connecteurs southwest

Voici ici un exemple de produit

Filtre passe bande en technologie céramique à forte permittivité (er=90 )

Figure n°3. (b) Filtre passe bande en technologie céramique à forte permittivité (er=90 )

Voici un exemple ici de produits en boutique

La technologie multicouche

la technologie multicouche présente un plan de référence matérialisé par le substrat qui sert de support. Il s’agit ensuite de travailler sur la superposition partielle ou totale des rubans conducteurs au travers de couches diélectriques. Il s’agit donc d’associer différentes structures de propagations planaires (cf figure n°4). En contrepartie la complexité se trouve être reportée au niveau de la modélisation des circuits en 3D. La combinaison de différentes configuration 3D avec diélectrique permet de tendre vers une solution d’intégration multicouche, multi technologie. Dans notre cas nous utilisons le vernis comme diélectrique. Il permet de réaliser des structures plus complexes et répondant à des spécifications électriques drastiques sans pour autant augmenter le cout de production.

Nous présentons ici un exemple de filtre multicouche à base de vernis Le premier support diélectrique utilisé est un substrat Rogers 4350B de permittivité 3,66 et Tanδ : 0.003. Le vernis déposé, initialement destiné à protéger le circuit (vernis de tropicalisation), est donc ici utilisé comme couche diélectrique entre les couches métalliques externe et interne, il a une épaisseur de 30 µm, une permittivité diélectrique relative de 5,4 et son tanδ de 0,02. Grace à la faible épaisseur entre couche il permet de réaliser des forts couplages et ainsi réalisé un filtre tres large bande.

Figure n°4 : filtre passe bande large bande (3 – 12 GHz) réalisé à partir d’une technologie multicouche à base de vernis

La technologie volumique

La technologie volumique consiste à utiliser un mode de résonance siégeant à l’intérieur d’une cavité, qui fait office de résonateur . Les ondes électromagnétiques résonnent selon plusieurs modes. Chaque mode de résonnance est caractérisé par un agencement particulier des champs électrique et magnétique, ainsi que par une fréquence de résonance. Les modes TE et/ou TM sont les plus utilisés dans les filtres à guide d’ondes ou à résonateurs diélectriques ; tandis que le mode TEM est privilégié pour les filtres à cavités coaxiales à air ou diélectriques . La technologie volumique présente de bonnes performances électriques grâce aux coefficients de qualité à vide très élevés des résonateurs volumiques. Cette technologie est donc très utilisée dans les filtres à bande étroite afin d’obtenir le minimum de pertes d’insertion et une réjection très sélective. En revanche l’encombrement et le coût de fabrication peuvent être les principaux inconvénients des filtres volumiques.

Technologie guide d'ondes

Les filtres à guide d’ondes sont réalisés avec des cavités métalliques rectangulaires ou circulaires à air . La fréquence de résonance des cavités est définie à partir de leur forme et de leur taille. Le couplage entre les différentes cavités est généralement de type magnétique, il est réalisé avec des iris. Les modes de résonances dans les cavités sont les modes TE et TM.

Filtre passe bande d'ordre 4 ( fréquence centrale 16 GHz) en technologie à guide d'ondes

Figure n° 5 Filtre passe bande d’ordre 4 ( fréquence centrale 16 GHz) en technologie à guide d’ondes

Technologie SIW

En 2001, D. Deslandes et L. WU ont développé une nouvelle technique de guides d’ondes utilisant des modes de propagation volumiques TEm0 en sein d’un substrat, tout en préservant des procédés de réalisation planaires. Le principe du SIW (Substrate Integrated Waveguide) est donc de réaliser un guide d’ondes volumique dans un substrat diélectrique dont on métallise les deux faces pour former les parois métalliques supérieures et inférieures. Des rangées de vias métallisés sont utilisées pour former les parois latérales de la cavité  (figure n°6) . Cette technique permet donc d’améliorer considérablement le facteur de qualité par rapport à des résonateurs planaires pour aboutir à des filtres à faibles pertes d’insertion. Cependant en bande VHF et UHF, malgré l’intégration des cavités dans un substrat diélectrique, ces dernières restent encombrantes.

Filtre passe bande SIW en bande Ku (16 GHz) d'ordre 4 ( Alumine) accordable à partir de diodes PIN

Figure n° 6 Filtre passe bande SIW en bande Ku (16 GHz) d’ordre 4 ( Alumine) accordable à partir de diodes PIN

Technologie à résonateurs Coaxiaux

Les filtres volumiques à résonateurs coaxiaux sont basés sur des cavités coaxiales avec un mode de propagation fondamental de type TEM . Les résonateurs coaxiaux permettent d’offrir un compromis entre les filtres à éléments localisés et les filtres à guides d’ondes. Ils présentent en effet des facteurs de qualité compris entre 200 et 5000, pour des encombrements largement inférieurs à ceux des guides d’ondes traditionnels. Bien que la conception de ce type de filtres soit bien maitrisée, les fabricants et les chercheurs ont mené plusieurs études pour améliorer les performances des résonateurs coaxiaux en termes d’encombrement, de compensation en température et de réduction des coûts de fabrication ; ceci en utilisant de nouvelles techniques de fabrication et de montage.

Résonateurs coaxiaux uniformes à air

Les filtres à résonateurs coaxiaux uniformes à air sont les plus communément utilisés. Ils sont constitués de résonateurs λ/4 en court-circuit. Les filtres à bande étroite sont réalisés avec des cavités coaxiales, les résonateurs sont couplés entre eux soit magnétiquement à travers des iris de couplage ou électriquement avec des tiges métalliques (figure n°7) . Pour ce qui concerne les filtres plus large bande, les structures combline et interdigitée sont les plus utilisées. Le couplage magnétique entre les résonateurs est dans ce cas réalisé par proximité. Les excitations d’entrée et de sortie sont réalisées avec des sondes coaxiales. Dans le but de diminuer la taille des filtres et d’améliorer leurs performances en termes de fréquences parasites, les résonateurs sont généralement chargés capacitivement « du côté circuit-ouvert ». on retrouve ici un exemple de filtre passe bande à résonateurs coaxiaux dédié à la 5G

Filtre passe bande à résonateurs coaxiaux dédié à la 5G de bande passante 3.3-3.7 GHz

Figure n° 7 Filtre passe bande à résonateurs coaxiaux dédié à la 5G de bande passante 3.3-3.7 GHz

Résonateurs coaxiaux à sauts d’impédance (SIR)

Le principe du saut d’impédance est utilisé principalement dans les résonateurs en mode TEM ou quasi-TEM. Les résonateurs à impédance uniforme (UIR) présentent des inconvénients intrinsèques, notamment les harmoniques supérieurs qui dans la conception des filtres hyperfréquences sont considérées comme des remontés parasites. Pour surmonter le problème de longueur en bande VHF, il est fréquent de charger le résonateur avec des capacités, ce qui a pour résultat de raccourcir la longueur physique du résonateur. Seulement cette méthode est limitée en fréquence, et surtout les pertes associées aux capacités augmentent rapidement au-delà de 1 GHz. Une solution permettant de s’affranchir consiste à utiliser des résonateurs à sauts d’impédances. En comparaison avec un résonateur à impédance uniforme (UIR), le résonateur à sauts d’impédance (SIR) est composé de deux ou plusieurs lignes de transmission de différentes impédances caractéristiques Zi et de longueurs électriques θi . Il est terminé par un court circuit ou un circuit ouvert. La figure n°8 montre une structure de filtre SIR. Ainsi un choix judicieux des impédances caractéristiques des différents tronçons, nous permet soit de diminuer la fréquence de résonance du mode fondamental tout en éloignant les harmoniques, soit de rapprocher les deux. Il y a alors deux intérêts soit, la miniaturisation du filtre , soit l’éloignement de la première harmonique.

Filtre passe bande à résonateurs coaxiaux dédié aux réseaux PMR (430 MHz)

Figure n° 8 Filtre passe bande à résonateurs coaxiaux dédié aux réseaux PMR (430 MHz)