EP3224897A1 - Dispositif de filtrage et ensemble filtrant a structure de bandes electriquement conductrices - Google Patents

Dispositif de filtrage et ensemble filtrant a structure de bandes electriquement conductrices

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EP3224897A1
EP3224897A1 EP15807957.4A EP15807957A EP3224897A1 EP 3224897 A1 EP3224897 A1 EP 3224897A1 EP 15807957 A EP15807957 A EP 15807957A EP 3224897 A1 EP3224897 A1 EP 3224897A1
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EP
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resonators
electrically conductive
resonator
connection port
filtering
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EP15807957.4A
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Christian Leray
Geoffroy Lerosey
Nadège KAINA
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Avantix SAS
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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    • H01P1/203—Strip line filters
    • H01P1/20327—Electromagnetic interstage coupling
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    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/12—Coupling devices having more than two ports

Definitions

  • the present invention relates to a filtering device with an electrically conductive strip structure. It also relates to a filter assembly comprising a plurality of filtering devices of this type.
  • the invention applies more particularly to a filtering device with an electrically conductive strip structure, comprising:
  • a transmission line formed by an electrically conductive strip printed on one side of an electrically insulating substrate, this conductive strip having two ends respectively forming the only two input and output connection ports of the filtering device, and
  • each resonator comprising an electrically conductive strip printed on said face of the substrate.
  • a filtering device is produced using electrically conductive strips printed by simple etching on one side of an electrically insulating substrate.
  • One or more ground planes can also be made on the same face of the substrate, on another face of the substrate, or by stacking substrates.
  • filtering devices printed in micro-ribbon technology use a technique known as "distributed constant" filtering whereby discrete component assemblies are replaced by assemblies of elementary patterns of printed electrically conductive strips, each elementary pattern producing a predetermined function R, L and / or C.
  • the elementary patterns are far enough apart from each other not to interfere with each other.
  • it is necessary to multiply the number of filtering devices connected in series. This results in filters which have a congestion sometimes penalizing, the latter increasing with the order of the filter, given the frequencies referred (those of the radio frequency spectrum up to 300 GHz) and applications envisaged.
  • each resonator has a first end coupled to the transmission line between the two connection ports and at least one second free end or connected to a ground so as to generate an effective fundamental resonance wavelength each resonator on said face of the substrate, and
  • the distance between the first ends of the two neighboring resonators of this pair is less than one-tenth of the smallest effective fundamental resonance wavelength of the plurality of resonators on said face; of the substrate.
  • ⁇ By “effective fundamental resonance wavelength” of a resonator, is meant, of course, the wavelength effectively generated on said face of the substrate by fundamental resonance of the resonator considered, this wavelength being different from that which would correspond in the air because of the index of refraction of the substrate which is not equal to that of the air.
  • first end coupled to the transmission line is meant either a connection of said first end to the transmission line, or possibly a capacitive coupling by approaching said first end and the transmission line. It results from the topology thus proposed a metamaterial structure obtained by micro-ribbon technology which has particularly surprising and advantageous properties.
  • the object of the invention is not envisaged as comprising a delay line whose impedance or phase shift is considered.
  • the main aim is to obtain a metamaterial effect from resonators coupled to a transmission line that is as short as possible, regardless of its impedance which then becomes negligible and not taken into consideration.
  • the conductive strips forming the transmission line and the resonators are rectilinear, the resonators being otherwise parallel to each other so as to form a comb of resonators.
  • the resonators are perpendicular to the transmission line.
  • the resonators are all of the same nominal length, so as to generate the same nominal effective fundamental resonance wavelength, except at least one short resonator, each short resonator being surrounded by two neighboring resonators length nominal and being shorter than the nominal length so as to generate at least one resonant cavity in said plurality of resonators.
  • the resonators are all of nominal length except for a single short resonator so as to generate a single resonant cavity in said plurality of resonators.
  • the resonators are all of nominal length except N short resonators, with N ⁇ 2, arranged in a periodic pattern so as to generate N resonant cavities periodically distributed in said plurality of resonators.
  • At least one resonator is provided with an electronic component for adjusting its equivalent electrical fundamental resonance frequency.
  • the electronic control component comprises one of the elements of the assembly consisting of a PIN diode, a varicap diode, a varistor and a transistor.
  • a filter assembly with at least one input connection port and at least one output connection port, comprising a plurality of filtering devices according to the invention, wherein:
  • the electrically conductive strips forming the transmission lines and the resonators of the filtering devices are printed on the same face of the same substrate,
  • a filter assembly can comprise a single input connection port and a single output connection port, the filtering devices being coupled together in series so that the input connection port the first filter device of the series forms the input connection port of the filter assembly and the output connection port of the last filter device of the series forms the output connection port of the filter assembly.
  • FIG. 1 schematically represents the general structure of a filtering device according to a first preferred embodiment of the invention
  • FIG. 2 is a diagram illustrating the transfer function of the filtering device of FIG. 1,
  • FIG. 3 diagrammatically represents the general structure of a filtering device according to a second preferred embodiment of the invention
  • FIG. 4 is a diagram illustrating the transfer function of the filtering device of FIG. 3
  • FIG. 5 schematically represents the general structure of a filtering device according to a third preferred embodiment of the invention
  • FIG. 6 schematically represents the general structure of a filtering device according to a fourth preferred embodiment of the invention.
  • FIG. 7 schematically represents the general structure of a filtering device according to a fifth preferred embodiment of the invention.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating the transfer function of the filtering device of FIG. 7,
  • FIG. 9 schematically represents the general structure of a filter assembly according to a first preferred embodiment of the invention.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating the transfer function of the filter assembly of FIG. 9,
  • FIG. 11 schematically represents the general structure of a filter assembly according to a second preferred embodiment of the invention.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating the transfer function of the filter assembly of FIG.
  • FIG. 13 diagrammatically represents the general structure of a filter assembly according to a third preferred embodiment of the invention.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating the transfer function of the filter assembly of FIG. 13, and
  • FIG. 15 schematically shows the general structure of a filter assembly according to a fourth preferred embodiment of the invention.
  • the filtering device 100 shown diagrammatically in FIG. 1 comprises a transmission line 102, for example a line 50 ⁇ formed by an electrically conductive strip printed on one side of an electrically insulating substrate 104.
  • This conductive strip 102 has two ends 102
  • the conductive strip 102 is rectilinear.
  • the filtering device 100 further comprises a plurality of resonators 106 5 106 M , each resonator 106, (1 ⁇ i ⁇ M) comprising a band electrically conductive printed on the same side of the substrate 104 as the conductive strip of the transmission line 102.
  • the conductive strip of each resonator 106 has a first end 108, connected to the transmission line 102 between the two connection ports 102
  • the conductive strips of the resonators 106 1 106 M are rectilinear, all of the same length L and parallel to each other so as to form a comb of resonators.
  • the resonators 106 ⁇ 106 M are further perpendicular to the transmission line 102 and their second ends 1 10-1, 1 10 M are shown free.
  • the resonators 106 ⁇ 106 M all have the same effective fundamental resonance wavelength ⁇ equal to four times their length L.
  • the resonators 106i, 106 M all have the same effective fundamental resonance wavelength ⁇ equal to twice their length L.
  • the distance denoted by e, between the first ends 108 , and 108 i + i of the two neighboring resonators 106, and 106 i + i of this pair is less than one tenth of the smallest effective fundamental resonance wavelength of the plurality of resonators which is, in this example where all the resonators are all of the same length L, the effective wavelength ⁇ mentioned above.
  • distances ei, e i M- can even advantageously be less than the tenth, or one hundredth, of the smaller effective fundamental resonant wavelength of the plurality of resonators 106 ⁇ 106 M -
  • all these distances e ⁇ e M i are equal and of the same order of magnitude as the width of each resonator.
  • This transfer function shows that a band-stop filtering device 100, that is, a band-gap at -30 dB, having good performance, has thus been designed, the forbidden band of transmission starting just after, in the frequency domain, the frequency resonance (about 1.3 GHz) corresponding to the effective wavelength ⁇ mentioned above and extending to about 1.6 GHz. These good performances are furthermore obtained for a filtering device 100 which remains very compact and of minimal bulk.
  • the filter structure illustrated in FIG. 1 is only a particular example of a filtering device according to the invention.
  • the conductive strips forming the transmission line 102 and 106i resonators 106 M are not necessarily rectilinear, the resonators are not necessarily parallel to each other or perpendicular to the transmission line and are not necessarily of the same length L.
  • the distances ei, e M -i are not necessarily equal either.
  • it is necessary that for each pair of resonators neighboring the plurality of resonators, the distance between the first ends of the two neighboring resonators of this pair is less than a quarter, or even advantageously to a tenth, of the shortest length of the pair.
  • the filtering device 200 shown schematically in FIG. 3 according to a second preferred embodiment of the invention, comprises a transmission line 202 with two ends 202 ! N and 202 ⁇ ⁇ printed on a substrate 204 and resonators 206i, 206 M having first 208i, 208 M and second 210 ! , 210 M ends. It is identical to the filter device 100 to the exception that one 206, its resonators 206i, 206 M is shorter than the others.
  • the resonators 206i, 206m are all the same nominal length L, so as to generate the same length of effective fundamental resonance wavelength ⁇ nominal except short resonator ,, 206 disposed somewhere in the metamaterial structure between the first resonator 206-I and the last resonator 206 M so as to generate a resonant singular cavity of very small size in the plurality of resonators 206 ⁇ 206 M -
  • the distances ei, e M- i must remain less than a quarter, or even advantageously one tenth, of the smallest effective fundamental resonance wavelength of the plurality of resonators which is, in this example, the effective fundamental resonance wavelength of short resonator 206i.
  • the presence of the resonant cavity generated by the short resonator 206 makes it possible to trap certain waves so as to create a resonance peak, this resonance peak being adjustable in position in the forbidden band transmission of the filter device 200 by varying the position and size of the short resonator 206, in the plurality of resonators 206i, 206 M -
  • the experiment shows that the resonance peak thus obtained is very narrow, so that it presents a great quality factor.
  • the transfer function is obtained illustrated in FIG. 4.
  • This transfer function shows that it has thus been conceived a notch-filtering device 200, that is, a bandgap band at -30 dB, which not only has good performance but also high quality resonance in its forbidden band.
  • the band-gap at -30 dB which extends from about 1.3 GHz to 1.7 GHz has a resonant peak at just under 1.6 GHz, the rejection being very abrupt around this resonance, 30 dB in a few tens of MHz. These good performances are also obtained for a filtering device 200 which remains very compact and compact.
  • the filtering device 300 comprises a two-end transmission line 302 302
  • the resonators 306 ⁇ 306 M are all of the same nominal length L, so as to generate the same nominal effective fundamental resonance wavelength ⁇ , except the N short resonators 306 , -i, 306i , N , arranged in the metamaterial structure between the first resonator 306-1 and the last resonator 306 M so as to generate N very small coupled resonant singular cavities in the plurality of resonators 306 ⁇ 306 M - Each short resonator is surrounded by two resonators neighbors of nominal length.
  • the N short resonators 306, -1, 306 i N are arranged in a periodic pattern so as to generate N resonant cavities periodically distributed in said plurality of resonators.
  • a short resonator is arranged every three resonators.
  • Each resulting resonant cavity is then separated from its neighbors by two resonators of nominal length and is therefore coupled directly only with its closest neighbors.
  • the width of this frequency band can be modified by modifying the structural parameters of the filtering device 300. This makes it possible to produce a filter type with even more abrupt frequency transitions (ie increasing the order of the filter) and easier to adjust.
  • Another effect resulting from the increase in the number of cavities in the metamaterial structure of FIG. 5 is to considerably slow down the group speed of the electrical signals passing through the filtering device, because a band of modes of slow speed propagation.
  • the distances ei, e M --i must remain less than a quarter, or even advantageously one tenth, of the smallest effective fundamental resonance wavelength of the plurality of resonators. which in this example is the effective fundamental resonance wavelength of the N short resonators 306, 1, 306 i N -
  • the filtering device 400 comprises a transmission line 402 with two ends 402
  • the component 412 is for example a PIN diode, a varicap diode, a varistor or a transistor.
  • the distances ei, e M- i must remain less than a quarter, or even advantageously one tenth, of the smallest effective fundamental resonance wavelength of the plurality of resonators which is, in this example, the effective fundamental resonance wavelength corresponding to the equivalent electrical resonance frequency of the resonator 406,
  • the filtering device 450 comprises a transmission line 452 with two ends 452
  • each resonator 456 or 456 M is not directly connected to the transmission line 452, but capacitively coupled with it by approaching without contact, and
  • each resonator 456i, or 456 M has two second free ends 460i, or or 460 M consisting of a band conductor split in the middle part according to a general form of tuning fork.
  • This split form of the so-called fractal resonators can be generalized into a multi-second tree shape for each resonator. It makes it possible to shorten the length of each resonator for the same effective resonance wavelength, at the cost of greater lateral bulk.
  • the distances ei, e M- i must remain less than a quarter, or even advantageously one tenth, of the smallest effective fundamental resonance wavelength of the plurality of resonators which is, in this example, the effective fundamental resonance wavelength corresponding to the fundamental resonator equivalent electrical frequency of the short resonator 456 ,.
  • the -30 dB band gap which ranges from about 1.45 GHz to 2.55 GHz, has a resonant peak at 1.9 GHz in a bandwidth of -30 dB which ranges from about 1, 8 GHz to 2.4 GHz. These good performances are also obtained for a filtering device 450 which remains very compact and compact.
  • a filter assembly with at least one input connection port and at least one output connection port, having a plurality of filtering devices according to the invention can be designed. All the electrically conductive strips forming the transmission lines and the resonators of the filtering devices of such a filter assembly are printed on the same face of the same substrate. Furthermore, the filtering devices are coupled together in series and / or in parallel according to topologies that can be very diverse. It is thus possible to conceive a filtering unit that achieves ambitious objectives in terms of bandwidth, bandwidth loss and rejection level around this bandwidth.
  • the filtering devices are coupled together in series, so that the filter assembly comprises only one input connection port and one output connection port, the port of the first filtering device of the series forming the input connection port of the filter assembly and the output connection port of the last filtering device of the series forming the output connection port of the filter assembly.
  • FIG. 9 A first embodiment of a filter assembly according to the invention and according to this first family of topologies is illustrated in FIG. 9.
  • N and 502 ⁇ ⁇ illustrated in this figure comprises two filtering devices 504, 506 of the same type as the filtering device 200, that is to say resonators all the same nominal length except one.
  • the input connection port 502 ! N corresponds to the input connection port of the first filter device 504 and the output connection port 502 ⁇ ⁇ corresponds to the output connection port of the second and last filter device 506.
  • the two transmission lines of the two filtering devices 504 and 506 are in the extension of each other and the output connection port of the transmission line of the first filtering device 504 is coupled to the connection port of input of the transmission line of the second filter device 506 with a printed capacitive element 508.
  • the latter is formed of two electrically conductive strips perpendicular to the transmission lines of the two filtering devices 504 and 506 coupled. It makes it possible to maintain the two filtering devices 504 and 506 at a distance from one another while coupling them.
  • the transfer function illustrated in FIG. 10 is obtained.
  • This transfer function shows that a filtering set has thus been designed. 500 whose band-gap and resonant band-band properties are improved. In particular, a bandwidth at -30 dB of about 100 MHz between 1.5 and 1.6 GHz in the forbidden band and a rejection of 40 dB in a few tens of MHz around this bandwidth are reached, losses at resonance peak being less than 3 dB.
  • a second embodiment of a filter assembly according to the invention and according to the first family of topologies is illustrated in FIG.
  • the filter assembly 600 with two connection ports 602 ! N and 602 ⁇ ⁇ illustrated in this figure comprises two filtering devices 604, 606 of the same type as the filtering device 200, that is to say with resonators all of same nominal length except for one (the resonant cavity is not arranged at the center of the plurality of resonators, however). These two filtering devices 604 and 606 are arranged in axial symmetry with respect to each other along an axis perpendicular to the transmission lines.
  • N corresponds to the input connection port of the first filter device 604 and the output connection port 602 ⁇ ⁇ corresponds to the output connection port of the second and last filter device 606.
  • the two transmission lines of the two filtering devices 604 and 606 are in the extension of each other and the output connection port of the transmission line of the first filter device 604 is electromagnetically coupled to the connection port of input of the transmission line of the second filtering device 606.
  • the two coupled ports are brought closer to one another and the coupling is done directly without any particular element. This coupling varies as a function of the separation distance of the two filtering devices 604 and 606.
  • the transfer function illustrated in FIG. 12 is obtained.
  • This transfer function shows that a filtering set has thus been designed. 600 whose band-gap and resonant band-band properties are improved. In particular, a bandwidth at -30 dB of around 50 MHz in the forbidden band and a rejection of 40 dB in a few tens of MHz around this bandwidth are reached, the losses at the resonant peak being less than 3 dB .
  • FIG. 13 A third embodiment of a filter assembly according to the invention and according to the first family of topologies is illustrated in FIG. 13.
  • N and 702 ⁇ ⁇ illustrated in this figure comprises two filtering devices 704, 706 of the same type as the filtering device 200, that is to say resonators all of the same nominal length except one (the resonant cavity being however not arranged at the center of the plurality of resonators). These two filtering devices 704 and 706 are arranged in central symmetry with respect to one another on a point of the substrate on which they are printed.
  • the input connection port 702 ! N corresponds to the input connection port of the first filter device 704 and the output connection port 702 ⁇ ⁇ corresponds to the output connection port of the second and last filter device 706.
  • the two transmission lines of the two filtering devices 704 and 706 are parallel without being in the extension of one another.
  • the electromagnetic coupling of the two filtering devices 704 and 706 is along two of their close-in resonators, one connected to the output connection port of the first filter device 704, the other connected to the input connection port of the second filter device 706.
  • the coupling is done directly without any particular element. This coupling varies according to the separation distance of the two resonators vis-à-vis.
  • the previously described filtering devices 100, 200, 300, 400, 450 may be coupled together in parallel so that the filter assembly has a plurality of input connection ports or a plurality of ports. output connection.
  • FIG. 1 A fourth embodiment of a filter assembly according to the invention and according to this second family of topologies is illustrated in FIG.
  • Nn and an output connection port 802 ⁇ ⁇ illustrated in this figure comprises n filters 804-I, 804 n which may each be the same type as any of the filtering devices 100, 200, 300, 400, 450 or other.
  • the input connection port 802, N1 corresponds to the input connection port of the first filter 804-I
  • Nn corresponds to the input connection port of the last filter 804 n
  • the output connection port 802 ⁇ ⁇ corresponds to the parallel interconnection of the n output connection ports of n filters 804 ⁇ 804 n .
  • a signal whose spectrum is included in the forbidden band of each filter 804 ⁇ 804 n
  • only the part of the spectrum corresponding to the resonant peak or the bandwidth of the first filter 804i is transmitted by this first filter 804i at the output 802 ⁇ ⁇
  • only the part of the spectrum corresponding to the resonant peak or to the bandwidth of the last filter 804 ! is transmitted by this last filter 804 ! at the output 802 ⁇ ⁇ > so that a signal multiplexed according to the different resonant peaks or bandwidths of the n filters 804 ⁇ ,, 804 n is output.
  • the filter assembly 800 is passive and therefore reversible. It can then be seen and used as a filter set at an input connection port 802 ⁇ ⁇ and n output connection ports 802
  • Nn signal parts respectively corresponding to the n resonant peaks or bandwidths of the n filters 804 ⁇ 804 n.
  • filter assemblies with series-coupled filtering devices for example the filter assemblies 500, 600, 700, can also constitute all or some of the filters 804. 804 n coupled in parallel.
  • a filter assembly may be designed by serially coupling filter assemblies of parallel coupled filter devices.
  • a filtering device or filter assembly such as one of those described above makes it possible to provide a high-performance filter for a minimum space requirement, thanks to a metamaterial structure obtained by bringing together a plurality of resonators so that the distances between neighboring resonators are always less than a quarter, or even advantageously one tenth, of the smallest effective fundamental resonance wavelength of the plurality of resonators.

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Abstract

Ce dispositif de filtrage (100) comporte une ligne de transmission (102) formée par une bande électriquement conductrice imprimée sur une face d'un substrat (104) électriquement isolant, cette bande conductrice présentant deux extrémités (102IN, 102OUT) formant respectivement les deux seuls ports de connexion d'entrée et sortie du dispositif de filtrage (100), et une pluralité de résonateurs (1061...,106M), chaque résonateur comportant une bande électriquement conductrice imprimée sur ladite face du substrat (104). La bande conductrice de chaque résonateur (1061...,106M) présente une première extrémité (1081...,108M) couplée à la ligne de transmission et au moins une deuxième extrémité (1101...,110M) libre ou raccordée à une masse de manière à engendrer une longueur d'onde de résonance fondamentale effective propre à chaque résonateur. Pour chaque paire de résonateurs voisins de la pluralité de résonateurs, la distance (e1...,eM-1) entre les premières extrémités de ces deux résonateurs voisins est inférieure au dixième de la plus petite longueur d'onde de résonance fondamentale effective de la pluralité de résonateurs (1061...,106M).

Description

DISPOSITIF DE FILTRAGE ET ENSEMBLE FILTRANT A STRUCTURE DE BANDES ELECTRIQUEMENT CONDUCTRICES
La présente invention concerne un dispositif de filtrage à structure de bandes électriquement conductrices. Elle concerne également un ensemble filtrant comportant plusieurs dispositifs de filtrage de ce type.
L'invention s'applique plus particulièrement à un dispositif de filtrage à structure de bandes électriquement conductrices, comportant :
- une ligne de transmission formée par une bande électriquement conductrice imprimée sur une face d'un substrat électriquement isolant, cette bande conductrice présentant deux extrémités formant respectivement les deux seuls ports de connexion d'entrée et sortie du dispositif de filtrage, et
- une pluralité de résonateurs, chaque résonateur comportant une bande électriquement conductrice imprimée sur ladite face du substrat.
De nombreuses configurations différentes de dispositifs électromagnétiques de filtrage sont réalisables en technologie micro-ruban (de l'anglais « microstrip »), notamment pour concevoir des filtres radiofréquence d'ordre élevé. Selon cette technologie, un dispositif de filtrage est réalisé à l'aide de bandes électriquement conductrices imprimées par simple gravure sur une face d'un substrat électriquement isolant. Un ou plusieurs plans de masses peuvent par ailleurs être réalisés sur la même face du substrat, sur une autre face du substrat, ou par empilement de substrats.
La plupart des dispositifs de filtrage imprimés en technologie micro-ruban font appel à une technique qualifiée de filtrage à « constantes réparties » selon laquelle des montages de composants discrets sont remplacés par des assemblages de motifs élémentaires de bandes électriquement conductrices imprimées, chaque motif élémentaire réalisant une fonction R , L et/ou C prédéterminée. Selon cette technique, les motifs élémentaires sont suffisamment éloignés les uns des autres pour ne pas interférer entre eux. Par ailleurs, pour obtenir des dispositifs de filtrage d'ordres élevés, il convient de multiplier le nombre de dispositifs de filtrage connectés en série. Il en résulte des filtres qui présentent un encombrement parfois pénalisant, celui-ci augmentant avec l'ordre du filtre, compte tenu des fréquences visées (celles du spectre radiofréquence allant jusqu'à 300 GHz) et des applications envisagées.
En outre, dans le domaine des dispositifs de filtrage à ligne de transmission en technologie micro-ruban tel qu'il peut être illustré par l'ouvrage de Jia-Sheng Hong, intitulé « Microstrip filters for RF microwave applications - Second édition », publié par Wiley en 201 1 , à une fréquence de travail donnée, l'homme du métier est généralement guidé par l'objectif d'obtenir une ligne à retard d'impédance et donc de déphasage significatifs et à valeurs discrètes, c'est-à-dire π ou ττ/2, ce qui implique des écarts entre résonateurs voisins égaux ou supérieurs à h/2 ou λ/4. A titre inhabituel, le document de brevet US 3,875,538 présente une démarche consistant à essayer d'obtenir une ligne à retard présentant un déphasage de ττ/4, ce qui implique des écarts entre résonateurs voisins d'environ λ/8. Mais en deçà de cette valeur inhabituelle de déphasage, la ligne à retard présenterait une impédance trop faible qui n'est jamais recherchée.
Il peut ainsi être souhaité de concevoir un dispositif de filtrage à structure de bandes électriquement conductrices qui permette de s'affranchir d'au moins une partie des problèmes et contraintes précités.
Il est donc proposé un dispositif de filtrage à structure de bandes électriquement conductrices du type précité dans lequel :
- la bande conductrice de chaque résonateur présente une première extrémité couplée à la ligne de transmission entre les deux ports de connexion et au moins une deuxième extrémité libre ou raccordée à une masse de manière à engendrer une longueur d'onde de résonance fondamentale effective propre à chaque résonateur sur ladite face du substrat, et
- pour chaque paire de résonateurs voisins de la pluralité de résonateurs, la distance entre les premières extrémités des deux résonateurs voisins de cette paire est inférieure au dixième de la plus petite longueur d'onde de résonance fondamentale effective de la pluralité de résonateurs sur ladite face du substrat.
Par « longueur d'onde de résonance fondamentale effective » d'un résonateur, on entend bien sûr la longueur d'onde effectivement engendrée sur ladite face du substrat par résonance fondamentale du résonateur considéré, cette longueur d'onde étant différente de celle qui lui correspondrait dans l'air à cause de l'indice de réfraction du substrat qui n'est pas égal à celui de l'air.
Par « première extrémité couplée à la ligne de transmission », on entend soit un raccordement de ladite première extrémité à la ligne de transmission, soit éventuellement un couplage capacitif par rapprochement entre ladite première extrémité et la ligne de transmission. Il résulte de la topologie ainsi proposée une structure de métamatériau obtenue par technologie micro-ruban qui présente des propriétés particulièrement surprenantes et avantageuses. Tout d'abord, en rapprochant les résonateurs les uns des autres suffisamment pour que les distances entre les premières extrémités de résonateurs voisins soient inférieures au dixième de la plus petite longueur d'onde de résonance fondamentale effective de la pluralité de résonateurs, on obtient un dispositif de filtrage très compact et d'encombrement minimal pour une bande fréquentielle de fonctionnement donnée. Ensuite, le dispositif de filtrage compact obtenu présente une fonction de transfert coupe-bande d'ordre élevé, grâce notamment à la propriété de bande interdite d'hybridation des métamatériaux agissant dans le spectre radiofréquence. Enfin, on observe également une diminution de la vitesse de groupe de tout signal électrique traversant le dispositif de filtrage, ce qui permet d'envisager un tel dispositif comme alternative aux lignes de transmission à vitesses lentes qui sont généralement très complexes en technologie micro-ruban. On notera enfin que contrairement à l'enseignement de l'état de la technique mentionné précédemment, l'objet de l'invention n'est pas envisagé comme comportant une ligne à retard dont on considère l'impédance ou le déphasage. On cherche principalement à obtenir un effet de métamatériau à partir de résonateurs couplés à une ligne de transmission qui soit la plus courte possible, quelle que soit son impédance qui devient alors négligeable et non prise en considération.
De façon optionnelle, les bandes conductrices formant la ligne de transmission et les résonateurs sont rectilignes, les résonateurs étant par ailleurs parallèles entre eux de manière à former un peigne de résonateurs.
De façon optionnelle également, les résonateurs sont perpendiculaires à la ligne de transmission.
De façon optionnelle également, les résonateurs sont tous d'une même longueur nominale, de manière à engendrer une même longueur d'onde de résonance fondamentale effective nominale, sauf au moins un résonateur court, chaque résonateur court étant entouré de deux résonateurs voisins de longueur nominale et étant de longueur inférieure à la longueur nominale de manière à engendrer au moins une cavité résonante dans ladite pluralité de résonateurs.
Par exemple, les résonateurs sont tous de longueur nominale sauf un unique résonateur court de manière à engendrer une unique cavité résonante dans ladite pluralité de résonateurs. Par exemple également, les résonateurs sont tous de longueur nominale sauf N résonateurs courts, avec N≥2, disposés selon un motif périodique de manière à engendrer N cavités résonantes périodiquement réparties dans ladite pluralité de résonateurs.
De façon optionnelle également, au moins un résonateur est pourvu d'un composant électronique de réglage de sa fréquence électrique équivalente de résonance fondamentale.
De façon optionnelle également, le composant électronique de réglage comporte l'un des éléments de l'ensemble constitué d'une diode PIN, d'une diode varicap, d'une varistance et d'un transistor.
Il est également proposé un ensemble filtrant à au moins un port de connexion d'entrée et au moins un port de connexion de sortie, comportant une pluralité de dispositifs de filtrage selon l'invention, dans lequel :
- les bandes électriquement conductrices formant les lignes de transmission et les résonateurs des dispositifs de filtrage sont imprimées sur une même face d'un même substrat,
- les dispositifs de filtrage sont couplés entre eux en série et/ou en parallèle. De façon optionnelle, un ensemble filtrant selon l'invention peut comporter un seul port de connexion d'entrée et un seul port de connexion de sortie, les dispositifs de filtrage étant couplés entre eux en série de sorte que le port de connexion d'entrée du premier dispositif de filtrage de la série forme le port de connexion d'entrée de l'ensemble filtrant et le port de connexion de sortie du dernier dispositif de filtrage de la série forme le port de connexion de sortie de l'ensemble filtrant.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 représente schématiquement la structure générale d'un dispositif de filtrage selon un premier mode de réalisation préféré de l'invention,
- la figure 2 est un diagramme illustrant la fonction de transfert du dispositif de filtrage de la figure 1 ,
- la figure 3 représente schématiquement la structure générale d'un dispositif de filtrage selon un deuxième mode de réalisation préféré de l'invention,
- la figure 4 est un diagramme illustrant la fonction de transfert du dispositif de filtrage de la figure 3, - la figure 5 représente schématiquement la structure générale d'un dispositif de filtrage selon un troisième mode de réalisation préféré de l'invention,
- la figure 6 représente schématiquement la structure générale d'un dispositif de filtrage selon un quatrième mode de réalisation préféré de l'invention,
- la figure 7 représente schématiquement la structure générale d'un dispositif de filtrage selon un cinquième mode de réalisation préféré de l'invention,
- la figure 8 est un diagramme illustrant la fonction de transfert du dispositif de filtrage de la figure 7,
- la figure 9 représente schématiquement la structure générale d'un ensemble filtrant selon un premier mode de réalisation préféré de l'invention,
- la figure 10 est un diagramme illustrant la fonction de transfert de l'ensemble filtrant de la figure 9,
- la figure 1 1 représente schématiquement la structure générale d'un ensemble filtrant selon un deuxième mode de réalisation préféré de l'invention,
- la figure 12 est un diagramme illustrant la fonction de transfert de l'ensemble filtrant de la figure 1 1 ,
- la figure 13 représente schématiquement la structure générale d'un ensemble filtrant selon un troisième mode de réalisation préféré de l'invention,
- la figure 14 est un diagramme illustrant la fonction de transfert de l'ensemble filtrant de la figure 13, et
- la figure 15 représente schématiquement la structure générale d'un ensemble filtrant selon un quatrième mode de réalisation préféré de l'invention.
Le dispositif de filtrage 100 représenté schématiquement sur la figure 1 comporte une ligne de transmission 102, par exemple une ligne 50 Ω formée par une bande électriquement conductrice imprimée sur une face d'un substrat électriquement isolant 104. Cette bande conductrice 102 présente deux extrémités 102|N et 102OUT formant respectivement les deux seuls ports de connexion d'entrée et sortie du dispositif de filtrage 100. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 1 , la bande conductrice 102 est rectiligne.
Le dispositif de filtrage 100 comporte en outre une pluralité de résonateurs 106 5 106M, chaque résonateur 106, (1 <i≤M) comportant une bande électriquement conductrice imprimée sur la même face du substrat 104 que la bande conductrice de la ligne de transmission 102. La bande conductrice de chaque résonateur 106, présente une première extrémité 108, raccordée à la ligne de transmission 102 entre les deux ports de connexion 102|N, 102Ουτ et une deuxième extrémité 1 10, libre ou raccordée à une masse de manière à engendrer une longueur d'onde de résonance fondamentale effective propre à chaque résonateur 106, sur ladite face du substrat 104. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 1 , les bandes conductrices des résonateurs 106^ 106M sont rectilignes, toutes de même longueur L et parallèles entre elles de manière à former un peigne de résonateurs. Les résonateurs 106^ 106M sont en outre perpendiculaires à la ligne de transmission 102 et leurs deuxièmes extrémités 1 10-1 , 1 10M sont illustrées libres.
Compte tenu du fait que les deuxièmes extrémités 1 10-1 , 1 10M sont libres, les résonateurs 106^ 106M présentent tous une même longueur d'onde de résonance fondamentale effective λ égale à quatre fois leur longueur L. En variante, si les deuxièmes extrémités 1 10i , 1 10M étaient raccordées à la masse, les résonateurs 106i , 106M présenteraient tous une même longueur d'onde de résonance fondamentale effective λ égale à deux fois leur longueur L.
Conformément à l'invention, pour chaque paire (106,, 106i+i), avec 1 <i≤M-1 , de résonateurs voisins de la pluralité de résonateurs 106i , 106M, la distance notée e, entre les premières extrémités 108, et 108i+i des deux résonateurs voisins 106, et 106i+i de cette paire est inférieure au dixième de la plus petite longueur d'onde de résonance fondamentale effective de la pluralité de résonateurs qui est, dans cet exemple où tous les résonateurs sont tous de même longueur L, la longueur d'onde effective λ mentionnée précédemment. Ces distances e-i , eM-i peuvent même être avantageusement inférieures au dixième, voire au centième, de la plus petite longueur d'onde de résonance fondamentale effective de la pluralité de résonateurs 106^ 106M- Dans le mode de réalisation particulier de la figure 1 , toutes ces distances e^ eM-i sont égales et du même ordre de grandeur que la largeur de chaque résonateur.
On obtient ainsi une structure de métamatériau en technologie micro-ruban qui présente des propriétés avantageuses comme indiqué précédemment. En particulier, la propriété de bande interdite d'hybridation est due aux phénomènes d'interférences entre les résonateurs 106i , 106M qui sont très rapprochés et répondent en opposition de phase à tout champ électromagnétique incident au-delà de leur fréquence de résonance. Ainsi, par interférences destructives au-delà de cette fréquence, tout champ électromagnétique incident est réfléchi, et la structure de métamatériau constitue un filtre coupe-bande aux propriétés intéressantes.
A titre d'exemple, pour une ligne de transmission 102 à 50 Ω, avec une longueur L commune des résonateurs égale à 40 mm, une largeur totale W de M = 9 résonateurs égale à 20 mm, une distance e = e-\ = ... = eM+i entre résonateurs voisins d'un peu plus de 1 mm et un indice de réfraction du substrat 104 proche de 1 ,45, on obtient la fonction de transfert illustrée sur la figure 2. Cette fonction de transfert montre que l'on a ainsi conçu un dispositif de filtrage 100 coupe-bande ou, autrement dit, à bande interdite de transmission à -30 dB, présentant de bonnes performances, la bande interdite de transmission commençant juste après, dans le domaine fréquentiel, la fréquence de résonance (environ 1 ,3 GHz) correspondant à la longueur d'onde effective λ mentionnée précédemment et se prolongeant jusque vers 1 ,6 GHz. Ces bonnes performances sont en outre obtenues pour un dispositif de filtrage 100 qui reste très compact et d'encombrement minimal.
On notera que la structure de filtre illustrée sur la figure 1 n'est qu'un exemple particulier de dispositif de filtrage selon l'invention. D'une façon plus générale, les bandes conductrices formant la ligne de transmission 102 et les résonateurs 106i , 106M ne sont pas nécessairement rectilignes, les résonateurs ne sont pas nécessairement parallèles entre eux ou perpendiculaires à la ligne de transmission et ne sont pas nécessairement de même longueur L. Les distances e-i , eM-i ne sont pas non plus nécessairement égales. En revanche, il est nécessaire que pour chaque paire de résonateurs voisins de la pluralité de résonateurs, la distance entre les premières extrémités des deux résonateurs voisins de cette paire soit inférieure au quart, voire même avantageusement au dixième, de la plus petite longueur d'onde de résonance fondamentale effective de la pluralité de résonateurs, cette plus petite longueur d'onde de résonance fondamentale effective étant celle du résonateur dont la longueur est la plus petite. Cette condition est nécessaire pour obtenir une structure de métamatériau aux propriétés avantageuses. En jouant sur tous les autres paramètres structurels précités, il est alors possible d'adapter la fonction de transfert du dispositif de filtrage aux différentes applications visées.
Le dispositif de filtrage 200, représenté schématiquement sur la figure 3 selon un deuxième mode de réalisation préféré de l'invention, comporte une ligne de transmission 202 à deux extrémités 202!N et 202Ουτ imprimée sur un substrat 204 et des résonateurs 206i , 206M comportant des premières 208i , 208M et deuxièmes 210! , 210M extrémités. Il est identique au dispositif de filtrage 100 à l'exception du fait que l'un 206, de ses résonateurs 206i, 206M est plus court que les autres. Plus précisément, les résonateurs 206i, 206M sont tous de la même longueur nominale L, de manière à engendrer la même longueur d'onde de résonance fondamentale effective nominale λ, sauf le résonateur court 206,, disposé quelque part dans la structure de métamatériau entre le premier résonateur 206-I et le dernier résonateur 206M de manière à engendrer une cavité singulière résonante de très petite taille dans la pluralité de résonateurs 206^ 206M-
Il convient de noter que les distances e-i, eM-i doivent rester inférieures au quart, voire même avantageusement au dixième, de la plus petite longueur d'onde de résonance fondamentale effective de la pluralité de résonateurs qui est, dans cet exemple, la longueur d'onde de résonance fondamentale effective du résonateur court 206i.
Loin de nuire à la structure de métamatériau, la présence de la cavité résonante engendrée par le résonateur court 206,, permet de piéger certaines ondes de manière à créer un pic de résonance, ce pic de résonance pouvant être réglé en position dans la bande interdite de transmission du dispositif de filtrage 200 en jouant sur la position et la taille du résonateur court 206, dans la pluralité de résonateurs 206i, 206M- L'expérience montre que le pic de résonance ainsi obtenu est très étroit, de sorte qu'il présente un grand facteur de qualité.
A titre d'exemple, pour une ligne de transmission 202 à 50 Ω, avec une longueur nominale L égale à 40 mm, une largeur totale W de M = 9 résonateurs égale à 20 mm, une distance e = βι = ... = eM+i entre résonateurs voisins d'un peu plus de 1 mm, un résonateur court de 30 mm disposé au centre de la pluralité de résonateurs et un indice de réfraction du substrat 204 proche de 1 ,45, on obtient la fonction de transfert illustrée sur la figure 4. Cette fonction de transfert montre que l'on a ainsi conçu un dispositif de filtrage 200 coupe-bande ou, autrement dit, à bande interdite de transmission à -30 dB, présentant non seulement de bonnes performances mais également une résonance à grand facteur de qualité dans sa bande interdite. La bande interdite à -30 dB, qui s'étend d'environ 1 ,3 GHz à 1 ,7 GHz présente un pic résonant à un peu moins de 1 ,6 GHz, la réjection étant très abrupte autour de cette résonance, de 30 dB en quelques dizaines de MHz. Ces bonnes performances sont en outre obtenues pour un dispositif de filtrage 200 qui reste très compact et d'encombrement minimal.
Il est par ailleurs possible d'élargir le pic de résonance à l'intérieur de la bande interdite de transmission en augmentant le nombre de cavités résonantes de manière à coupler ces cavités entre elles. Cet effet est obtenu par exemple à l'aide du dispositif de filtrage 300 de la figure 5.
Le dispositif de filtrage 300 comporte une ligne de transmission 302 à deux extrémités 302!N et 302Ουτ imprimée sur un substrat 304 et des résonateurs 306i , 306M comportant des premières 308^ 308M et deuxièmes 310^ 310M extrémités. Il est similaire aux dispositifs de filtrage 100 et 200 à l'exception du fait que plusieurs 306, -1 , 306i N de ses résonateurs 306^ 306M sont plus courts que les autres. Plus précisément, les résonateurs 306^ 306M sont tous de la même longueur nominale L, de manière à engendrer la même longueur d'onde de résonance fondamentale effective nominale λ, sauf les N résonateurs courts 306,, -i , 306i,N, disposés dans la structure de métamatériau entre le premier résonateur 306-1 et le dernier résonateur 306M de manière à engendrer N cavités singulières résonantes couplées de très petite taille dans la pluralité de résonateurs 306^ 306M- Chaque résonateur court est entouré de deux résonateurs voisins de longueur nominale.
De préférence, les N résonateurs courts 306, -1 , 306i N sont disposés selon un motif périodique de manière à engendrer N cavités résonantes périodiquement réparties dans ladite pluralité de résonateurs. Dans l'exemple de la figure 5, un résonateur court est disposé tous les trois résonateurs. Chaque cavité résonante résultante est alors séparée de ses voisines par deux résonateurs de longueur nominale et n'est donc couplée directement qu'avec ses plus proches voisines. Il en résulte un dispositif de filtrage qui ne laisse passer aucune fréquence dans la bande interdite telle que mentionnée pour le dispositif de la figure 1 , hormis sur une bande de fréquences centrée sur la fréquence de résonance des cavités. La largeur de cette bande de fréquences peut être modifiée en jouant sur les paramètres structurels du dispositif de filtrage 300. Cela permet de réaliser un type de filtre aux transitions fréquentielles encore plus abruptes (i.e. augmentation de l'ordre du filtre) et plus facile à régler.
Un autre effet résultant de l'augmentation du nombre de cavités dans la structure de métamatériau de la figure 5 est de ralentir considérablement la vitesse de groupe des signaux électriques traversant le dispositif de filtrage, parce que l'on crée ainsi une bande de modes de propagation à vitesses lentes.
Il convient enfin de noter que les distances e-i , eM--i doivent rester inférieures au quart, voire même avantageusement au dixième, de la plus petite longueur d'onde de résonance fondamentale effective de la pluralité de résonateurs qui est, dans cet exemple, la longueur d'onde de résonance fondamentale effective des N résonateurs courts 306, 1 ,■ 306i N-
Une variante du mode de réalisation de la figure 3 est illustrée sur la figure 6. Le dispositif de filtrage 400 conforme à cette variante comporte une ligne de transmission 402 à deux extrémités 402|N et 402Ουτ imprimée sur un substrat 404 et des résonateurs 406^ 406M comportant des premières 408^ 408M et deuxièmes 410 410M extrémités. Il est similaire au dispositif de filtrage 200 à l'exception du fait que le résonateur court 206, est remplacé par un résonateur 406, de même longueur que les autres mais pourvu d'un composant électronique 412 de réglage de sa fréquence électrique équivalente de résonance fondamentale. Grâce à ce composant, il est possible de moduler cette fréquence, notamment pour l'augmenter, sans pour autant modifier la longueur du résonateur. Il est alors possible d'obtenir les mêmes effets qu'avec le dispositif de filtrage 200, notamment la même fonction de transfert illustrée sur la figure 4, avec une structure de résonateurs tous de même longueur comme dans le dispositif de filtrage 100. Le composant électronique 412 est par exemple une diode PIN, une diode varicap, une varistance ou un transistor.
Il convient enfin de noter que les distances e-i , eM-i doivent rester inférieures au quart, voire même avantageusement au dixième, de la plus petite longueur d'onde de résonance fondamentale effective de la pluralité de résonateurs qui est, dans cet exemple, la longueur d'onde de résonance fondamentale effective correspondant à la fréquence électrique équivalente de résonance fondamentale du résonateur 406,.
Une autre variante du mode de réalisation de la figure 3 est illustrée sur la figure 7. Le dispositif de filtrage 450 conforme à cette autre variante comporte une ligne de transmission 452 à deux extrémités 452|N et 4520υτ imprimée sur un substrat 454 et des résonateurs 456^ 456M comportant des premières 458^ 458M et deuxièmes 460 460M extrémités. Il est similaire au dispositif de filtrage 200 à l'exception du fait que :
- la première extrémité 458^ ou ou 458M de chaque résonateur 456^ ou ou 456M n'est pas directement raccordée à la ligne de transmission 452, mais couplée capacitivement avec elle par rapprochement sans contact, et
- chaque résonateur 456i , ou ou 456M comporte deux deuxièmes extrémités libres 460i , ou ou 460M en étant constitué d'une bande conductrice dédoublée en partie médiane selon une forme générale de diapason.
Le résonateur court 456, reste plus court que les autres. Cette forme dédoublée des résonateurs, dite fractale, peut être généralisée en une forme arborescente à multiples deuxièmes extrémités pour chaque résonateur. Elle permet de raccourcir la longueur de chaque résonateur pour une même longueur d'onde effective de résonance, au prix d'un encombrement latéral plus important.
Il convient enfin de noter que les distances e-i, eM-i doivent rester inférieures au quart, voire même avantageusement au dixième, de la plus petite longueur d'onde de résonance fondamentale effective de la pluralité de résonateurs qui est, dans cet exemple, la longueur d'onde de résonance fondamentale effective correspondant à la fréquence électrique équivalente de résonance fondamentale du résonateur court 456,.
A titre d'exemple, pour une ligne de transmission 452 à 50 Ω, avec une longueur nominale L égale à 40 mm, une largeur totale W de M = 5 résonateurs égale à 20 mm, une distance e = βι = ... = eM+i entre résonateurs voisins d'environ 3 mm, un résonateur court de 20 à 30 mm disposé au centre de la pluralité de résonateurs et un indice de réfraction du substrat 454 proche de 1 ,45, on obtient la fonction de transfert illustrée sur la figure 8. Cette fonction de transfert montre que l'on a ainsi conçu un dispositif de filtrage 450 coupe-bande ou, autrement dit, à bande interdite de transmission à -30 dB, présentant non seulement de bonnes performances mais également une résonance à large bande dans sa bande interdite. La bande interdite à -30 dB, qui s'étend d'environ 1 ,45 GHz à 2,55 GHz présente un pic résonant à 1 ,9 GHz dans une bande passante à -30 dB qui s'étend d'environ 1 ,8 GHz à 2,4 GHz. Ces bonnes performances sont en outre obtenues pour un dispositif de filtrage 450 qui reste très compact et d'encombrement minimal.
A partir de l'un ou l'autre des dispositifs de filtrage 100, 200, 300, 400, 450 précédemment décrits, ou à partir d'autres variantes de réalisation possibles, un ensemble filtrant à au moins un port de connexion d'entrée et au moins un port de connexion de sortie, comportant une pluralité de dispositifs de filtrage selon l'invention, peut être conçu. Toutes les bandes électriquement conductrices formant les lignes de transmission et les résonateurs des dispositifs de filtrage d'un tel ensemble filtrant sont imprimées sur une même face d'un même substrat. Par ailleurs, les dispositifs de filtrage sont couplés entre eux en série et/ou en parallèle selon des topologies qui peuvent être très diverses. Il est ainsi possible de concevoir un ensemble filtrant permettant d'atteindre des objectifs ambitieux en termes de bande passante, de perte en bande passante et de niveau de réjection autour de cette bande passante.
Conformément à une première famille de topologies possibles, les dispositifs de filtrage sont couplés entre eux en série, de sorte que l'ensemble filtrant ne comporte qu'un port de connexion d'entrée et qu'un port de connexion de sortie, le port de connexion d'entrée du premier dispositif de filtrage de la série formant le port de connexion d'entrée de l'ensemble filtrant et le port de connexion de sortie du dernier dispositif de filtrage de la série formant le port de connexion de sortie de l'ensemble filtrant.
Un premier mode de réalisation d'un ensemble filtrant selon l'invention et selon cette première famille de topologies est illustré sur la figure 9.
L'ensemble filtrant 500 à deux ports de connexion 502|N et 502Ουτ illustré sur cette figure comporte deux dispositifs de filtrage 504, 506 du même type que le dispositif de filtrage 200, c'est-à-dire à résonateurs tous de même longueur nominale sauf un. Le port de connexion d'entrée 502!N correspond au port de connexion d'entrée du premier dispositif de filtrage 504 et le port de connexion de sortie 502Ουτ correspond au port de connexion de sortie du deuxième et dernier dispositif de filtrage 506.
Les deux lignes de transmission des deux dispositifs de filtrage 504 et 506 sont dans le prolongement l'une de l'autre et le port de connexion de sortie de la ligne de transmission du premier dispositif de filtrage 504 est couplé au port de connexion d'entrée de la ligne de transmission du deuxième dispositif de filtrage 506 à l'aide d'un élément capacitif imprimé 508. Ce dernier est formé de deux bandes électriquement conductrices perpendiculaires aux lignes de transmission des deux dispositifs de filtrage 504 et 506 couplés. Il permet de maintenir les deux dispositifs de filtrage 504 et 506 à une certaine distance d'un de l'autre tout en les couplant.
A titre d'exemple, avec des paramètres structurels d'expérimentation similaires à ceux du dispositif de filtrage 200, on obtient la fonction de transfert illustrée sur la figure 10. Cette fonction de transfert montre que l'on a ainsi conçu un ensemble de filtrage 500 dont les propriétés de coupe-bande et de bande résonante dans la bande interdite sont améliorées. En particulier une bande passante à -30 dB d'environ 100 MHz entre 1 ,5 et 1 ,6 GHz dans la bande interdite et une réjection de 40 dB en quelques dizaines de MHz autour de cette bande passante sont atteintes, les pertes au niveau du pic de résonance étant inférieures à 3 dB. Un deuxième mode de réalisation d'un ensemble filtrant selon l'invention et selon la première famille de topologies est illustré sur la figure 1 1 .
L'ensemble filtrant 600 à deux ports de connexion 602!N et 602Ουτ illustré sur cette figure comporte deux dispositifs de filtrage 604, 606 du même type que le dispositif de filtrage 200, c'est-à-dire à résonateurs tous de même longueur nominale sauf un (la cavité résonante n'étant cependant pas disposée au centre de la pluralité de résonateurs). Ces deux dispositifs de filtrage 604 et 606 sont disposés en symétrie axiale l'un par rapport à l'autre selon un axe perpendiculaire aux lignes de transmission. Le port de connexion d'entrée 602|N correspond au port de connexion d'entrée du premier dispositif de filtrage 604 et le port de connexion de sortie 602Ουτ correspond au port de connexion de sortie du deuxième et dernier dispositif de filtrage 606.
Les deux lignes de transmission des deux dispositifs de filtrage 604 et 606 sont dans le prolongement l'une de l'autre et le port de connexion de sortie de la ligne de transmission du premier dispositif de filtrage 604 est électromagnétiquement couplé au port de connexion d'entrée de la ligne de transmission du deuxième dispositif de filtrage 606. Pour cela les deux ports couplés sont rapprochés l'un de l'autre et le couplage se fait directement sans élément particulier. Ce couplage varie en fonction de la distance de séparation des deux dispositifs de filtrage 604 et 606.
A titre d'exemple, avec des paramètres structurels d'expérimentation similaires à ceux du dispositif de filtrage 200, on obtient la fonction de transfert illustrée sur la figure 12. Cette fonction de transfert montre que l'on a ainsi conçu un ensemble de filtrage 600 dont les propriétés de coupe-bande et de bande résonante dans la bande interdite sont améliorées. En particulier une bande passante à -30 dB d'environ 50 MHz dans la bande interdite et une rejection de 40 dB en quelques dizaines de MHz autour de cette bande passante sont atteintes, les pertes au niveau du pic de résonance étant inférieures à 3 dB.
Un troisième mode de réalisation d'un ensemble filtrant selon l'invention et selon la première famille de topologies est illustré sur la figure 13.
L'ensemble filtrant 700 à deux ports de connexion 702|N et 702Ουτ illustré sur cette figure comporte deux dispositifs de filtrage 704, 706 du même type que le dispositif de filtrage 200, c'est-à-dire à résonateurs tous de même longueur nominale sauf un (la cavité résonante n'étant cependant pas disposée au centre de la pluralité de résonateurs). Ces deux dispositifs de filtrage 704 et 706 sont disposés en symétrie centrale l'un par rapport à l'autre selon un point du substrat sur lequel ils sont imprimés. Le port de connexion d'entrée 702!N correspond au port de connexion d'entrée du premier dispositif de filtrage 704 et le port de connexion de sortie 702Ουτ correspond au port de connexion de sortie du deuxième et dernier dispositif de filtrage 706.
Compte tenu de la disposition en symétrie centrale, les deux lignes de transmission des deux dispositifs de filtrage 704 et 706 sont parallèles sans être dans le prolongement l'une de l'autre. Le couplage électromagnétique des deux dispositifs de filtrage 704 et 706 se fait le long de deux de leurs résonateurs rapprochés en vis- à-vis, l'un raccordé au niveau du port de connexion de sortie du premier dispositif de filtrage 704, l'autre raccordé au niveau du port de connexion d'entrée du deuxième dispositif de filtrage 706. Le couplage se fait directement sans élément particulier. Ce couplage varie en fonction de la distance de séparation des deux résonateurs en vis- à-vis.
A titre d'exemple, avec des paramètres structurels d'expérimentation similaires à ceux du dispositif de filtrage 200, on obtient la fonction de transfert illustrée sur la figure 14. Cette fonction de transfert, très similaire à celle de la figure 10, montre que l'on a ainsi conçu un ensemble de filtrage 700 dont les propriétés de coupe-bande et de bande résonante dans la bande interdite sont améliorées.
Conformément à une deuxième famille de topologies possibles, les dispositifs de filtrage 100, 200, 300, 400, 450 précédemment décrits peuvent être couplés entre eux en parallèle de sorte que l'ensemble filtrant comporte plusieurs ports de connexion d'entrée ou plusieurs ports de connexion de sortie.
Un quatrième mode de réalisation d'un ensemble filtrant selon l'invention et selon cette deuxième famille de topologies est illustré sur la figure 15.
L'ensemble filtrant 800 à n ports de connexion d'entrée 802|N1, 802|Nn et un port de connexion de sortie 802Ουτ illustré sur cette figure comporte n filtres 804-I , 804n qui peuvent chacun être du même type que l'un quelconque des dispositifs de filtrage 100, 200, 300, 400, 450 ou autres. Le port de connexion d'entrée 802,N1 correspond au port de connexion d'entrée du premier filtre 804-I , le port de connexion d'entrée 802|Nn correspond au port de connexion d'entrée du dernier filtre 804n et le port de connexion de sortie 802Ουτ correspond à l'interconnexion en parallèle des n ports de connexion de sortie des n filtres 804^ 804n.
En particulier, lorsque les n filtres 804^ 804n sont à pics ou bandes passantes de résonance dans leurs bandes interdites, il est ainsi possible de concevoir un multiplexeur (un duplexeur si n=2). Par exemple lorsqu'un signal, dont le spectre est inclus dans la bande interdite de chaque filtre 804^ 804n, est fourni aux entrées 802!N , 802|Nn de l'ensemble filtrant 800, seule la partie du spectre correspondant au pic résonant ou à la bande passante du premier filtre 804i est transmise par ce premier filtre 804i en sortie 802Ουτ, ■ seule la partie du spectre correspondant au pic résonant ou à la bande passante du dernier filtre 804! est transmise par ce dernier filtre 804! en sortie 802Ουτ> de sorte que l'on obtient en sortie un signal multiplexé selon les différents pics résonants ou bandes passantes des n filtres 804·, , 804n.
On notera que l'ensemble filtrant 800 est passif donc réversible. On peut alors le voir et l'utiliser comme un ensemble filtrant à un port de connexion d'entrée 802Ουτ et n ports de connexion de sortie 802|N1 , 802|Nn. En y injectant un signal de spectre inclus dans la bande interdite de chaque filtre 804-I , 804n, on retrouve en sorties 802|N1 , 802|Nn les n parties du signal correspondant respectivement aux n pics résonants ou bandes passantes des n filtres 804^ 804n.
Il est possible également de généraliser la topologie de l'ensemble filtrant 800 en considérant que des ensembles filtrants à dispositifs de filtrage couplés en série, par exemple les ensembles filtrants 500, 600, 700, peuvent eux aussi constituer tout ou partie des filtres 804^ 804n couplés en parallèle.
Inversement, un ensemble filtrant peut être conçu en couplant en série des ensembles filtrants de dispositifs de filtrages couplés en parallèle.
Il apparaît clairement qu'un dispositif de filtrage ou ensemble filtrant tel que l'un de ceux décrits précédemment permet de fournir un filtre performant pour un encombrement minimal, grâce à une structure de métamatériau obtenue en rapprochant une pluralité de résonateurs de telle sorte que les distances entre résonateurs voisins soient toujours inférieures au quart, voire même avantageusement au dixième, de la plus petite longueur d'onde de résonance fondamentale effective de la pluralité de résonateurs.
On notera par ailleurs que l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits précédemment.
En particulier, en ce qui concerne les ensembles filtrants présentés en références aux figures 9, 1 1 et 13, il convient de noter qu'il est possible d'augmenter le nombre de dispositifs de filtrage couplés en série en fonction des besoins.
Plus généralement toutes les topologies de dispositifs de filtrage couplés sont envisageables, notamment les topologies en cascades, étoiles ou autres. Il apparaîtra à l'homme de l'art que diverses modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation décrits ci-dessus, à la lumière de l'enseignement qui vient de lui être divulgué. Dans les revendications qui suivent, les termes utilisés ne doivent pas être interprétés comme limitant les revendications aux modes de réalisation exposés dans la présente description, mais doivent être interprétés pour y inclure tous les équivalents que les revendications visent à couvrir du fait de leur formulation et dont la prévision est à la portée de l'homme de l'art en appliquant ses connaissances générales à la mise en œuvre de l'enseignement qui vient de lui être divulgué.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de filtrage (100 ; 200 ; 300 ; 400 ; 450) à structure de bandes électriquement conductrices, comportant :
une ligne de transmission (102 ; 202 ; 302 ; 402 ; 452) formée par une bande électriquement conductrice imprimée sur une face d'un substrat (104 ; 204 ; 304 ; 404 ; 454) électriquement isolant, cette bande conductrice présentant deux extrémités (102|N, 102Ουτ ; 202|N, 202OUT ; 302|N, 302OUT ; 402|N, 402OUT ; 452,N, 452OUT) formant respectivement les deux seuls ports de connexion d'entrée et sortie du dispositif de filtrage (100 ; 200 ; 300 ; 400 ; 450), une pluralité de résonateurs (106i, 106M ; 206^ 206M ; 306^ 306M ; 406^ 406M ; 456^ 456M), chaque résonateur comportant une bande électriquement conductrice imprimée sur ladite face du substrat (104 ; 204 ; 304 ; 404 ; 454),
caractérisé en ce que :
la bande conductrice de chaque résonateur (106i, 106M ; 206i, 206M ; 306i, 306M ; 406i, 406M ; 456i, 456M) présente une première extrémité (108i, .... 108M ; 208i, .... 208M ; 308i, .... 308M ; 408i, 408M ; 458i, 458M) couplée à la ligne de transmission entre les deux ports de connexion et au moins une deuxième extrémité (1 101 s 1 10M ; 210i, .... 210M ; 310i, .... 310M ; 410i, .... 410M ; 460i, 460M) libre ou raccordée à une masse de manière à engendrer une longueur d'onde de résonance fondamentale effective propre à chaque résonateur sur ladite face du substrat, et
pour chaque paire de résonateurs voisins de la pluralité de résonateurs, la distance (βι, eM-i) entre les premières extrémités des deux résonateurs voisins de cette paire est inférieure au dixième de la plus petite longueur d'onde de résonance fondamentale effective de la pluralité de résonateurs (106i, 106M ; 206i, 206M ; 306!, 306M ; 06!, 406M ; 456i, .... 456M) sur ladite face du substrat.
2. Dispositif de filtrage (100 ; 200 ; 300 ; 400) à structure de bandes électriquement conductrices selon la revendication 1 , dans lequel les bandes conductrices formant la ligne de transmission (102 ; 202 ; 302 ; 402) et les résonateurs (106i , ... , 106Μ ; 206ι , ... , 206Μ ; 306ι , ... , 306Μ ; 406ι , ... , 406Μ) sont rectilignes, les résonateurs étant par ailleurs parallèles entre eux de manière à former un peigne de résonateurs.
3. Dispositif de filtrage (100 ; 200 ; 300 ; 400) à structure de bandes électriquement conductrices selon la revendication 2, dans lequel les résonateurs (106! , 106M ; 206! , 206M ; 306i , 306M ; 406! , 406M) sont perpendiculaires à la ligne de transmission (102 ; 202 ; 302 ; 402).
4. Dispositif de filtrage (200 ; 300 ; 450) à structure de bandes électriquement conductrices selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les résonateurs (206i , 206M ; 306i , 306M ; 456^ 456M) sont tous d'une même longueur nominale (L), de manière à engendrer une même longueur d'onde de résonance fondamentale effective nominale, sauf au moins un résonateur court (206, ; 306,,ι , 306i N ; 456,), chaque résonateur court étant entouré de deux résonateurs voisins de longueur nominale et étant de longueur inférieure à la longueur nominale de manière à engendrer au moins une cavité résonante dans ladite pluralité de résonateurs (206i , 206M ; 306i , 306M ; 456i , 456M).
5. Dispositif de filtrage (200 ; 450) à structure de bandes électriquement conductrices selon la revendication 4, dans lequel les résonateurs (206i, 206M ; 456i , 456M) sont tous de longueur nominale (L) sauf un unique résonateur court (206, ; 456,) de manière à engendrer une unique cavité résonante dans ladite pluralité de résonateurs (206i , 206M ; 456i , 456M).
6. Dispositif de filtrage (300) à structure de bandes électriquement conductrices selon la revendication 4, dans lequel les résonateurs (306^ 306M) sont tous de longueur nominale (L) sauf N résonateurs courts (306, -1 , 306i N), avec N≥2, disposés selon un motif périodique de manière à engendrer N cavités résonantes périodiquement réparties dans ladite pluralité de résonateurs (306^ 306M).
7. Dispositif de filtrage (400) à structure de bandes électriquement conductrices selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel au moins un résonateur (406,) est pourvu d'un composant électronique (412) de réglage de sa fréquence électrique équivalente de résonance fondamentale.
8. Dispositif de filtrage (400) à structure de bandes électriquement conductrices selon la revendication 7, dans lequel le composant électronique de réglage (412) comporte l'un des éléments de l'ensemble constitué d'une diode PIN, d'une diode varicap, d'une varistance et d'un transistor.
9. Ensemble filtrant (500 ; 600 ; 700 ; 800) à au moins un port de connexion d'entrée (502!N ; 602!N ; 702|N ; 802!N , 802|Nn) et au moins un port de connexion de sortie (502Ουτ ; 602Ουτ ; 702Ουτ ; 802Ουτ), comportant une pluralité de dispositifs de filtrage (504, 506 ; 604, 606 ; 704, 706 ; 804! , 804n) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel :
les bandes électriquement conductrices formant les lignes de transmission et les résonateurs des dispositifs de filtrage (504, 506 ; 604, 606 ; 704, 706 ; 804^ 804n) sont imprimées sur une même face d'un même substrat,
les dispositifs de filtrage (504, 506 ; 604, 606 ; 704, 706 ; 804·, , 804n) sont couplés entre eux en série et/ou en parallèle.
10. Ensemble filtrant (500 ; 600 ; 700) selon la revendication 9, comportant un seul port de connexion d'entrée (502|N ; 602|N ; 702|N) et un seul port de connexion de sortie (502Ουτ ; 602Ουτ ; 702Ουτ), dans lequel les dispositifs de filtrage (504, 506 ; 604, 606 ; 704, 706) sont couplés entre eux en série de sorte que le port de connexion d'entrée du premier dispositif de filtrage (504 ; 604 ; 704) de la série forme le port de connexion d'entrée (502|N ; 602!N ; 702!N) de l'ensemble filtrant (500 ; 600 ; 700) et le port de connexion de sortie du dernier dispositif de filtrage (506 ; 606 ; 706) de la série forme le port de connexion de sortie (502Ουτ ; 602Ουτ ; 702Ουτ) de l'ensemble filtrant (500 ; 600 ; 700).
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