ETAT DE L’ART SUR LA SYNTHESE DES FILTRES PASSE BANDE

Définition du filtrage

  Le filtrage est l’action qui sert à éliminer une fréquence ou une bande de fréquence, ou  inversement, à favoriser une fréquence ou une bande de fréquences. Autrement dit, c’est l’action de modifier les composantes spectrales d’un signal électrique. On distingue quatre familles de filtres, selon qu’ils favorisent ou défavorisent les composantes spectrales d’un signal dans une bande de fréquences (Figure I.1):
 Les filtres passe-bas qui transmettent des signaux de fréquence inférieure une certaine fréquence fc, appelée fréquence de coupure.
 Les filtres passe-haut qui transmettent des signaux de fréquence supérieure à la fréquence de coupure fc.
 Les filtres passe-bande qui transmettent des signaux de fréquence comprise entre deux fréquences limitent f1 et f2.
 Les filtres coupe-bande qui sont les filtres duaux des filtres passe bande.

Synthèse conventionnelle des filtres à résonateurs couplés :

  Les filtres sont des circuits électroniques qui réalisent des opérations de traitement du signal dans le domaine fréquentiel. En fonction de l’architecture du système et du contexte d’utilisation, un filtre peut servir à sélectionner uniquement les basses ou les hautes fréquences d’un signal, ou bien, à sélectionner ou à rejeter une bande passante particulière. La fonction qui nous intéresse pour le traitement de l’information dans la charge utile d’un satellite de télécommunication est la fonction de filtrage passe-bande [30]. Cette fonction est généralement réalisée à l’aide de résonateurs couplés. La synthèse des filtres passe bande microondes est généralement basée sur un schéma électrique équivalent du dispositif à résonateurs couplés en éléments localisés. Cette synthèse permet, à partir de la théorie des circuits, de déterminer les valeurs des éléments localisés du schéma électrique équivalent en fonction de filtrage choisi [32].

Détermination électromagnétique de fe et fm

   Lorsque la structure composée de deux résonateurs identiques est symétrique selon un plan, le logiciel HFSS permet de ne considérer qu’un seul résonateur [38]. En affectant successivement au plan de symétrie de la structure de couplage étudiée une condition de mur magnétique (CCM, court-circuit magnétique) puis de mur électrique (CCE, court-circuit électrique), le résultat de simulation donne respectivement les fréquences fm et fe . En revanche, avec le logiciel électromagnétique Momentum, il n’est pas possible de placer un CCE ou un CCM dans le plan de symétrie. En effet, dans ce logiciel chaque couche diélectrique est considérée comme infinie dans le plan horizontal, contrairement à HFSS où elle est de dimension finie. C’est pourquoi, à partir de Momentum, deux résonateurs couplés sont étudiés simultanément (détermination de f1 et f2 avec l’équation III-31). Ils doivent être faiblement couplés aux lignes d’accès pour que l’influence du système d’excitation sur le couplage inter-résonateur soit négligeable. Momentum est généralement préféré pour des raisons de rapidité de simulation, toutefois HFSS permet de déterminer les couplages interrésonateurs avec une plus grande précision, alors que la structure n’est pas complètement planaire.

La transition :

  Le signal transitant par un guide d’ondes, nécessite généralement une transition intermédiaire pour faire un lien entre le circuit planaire en technologie micro ruban et le guide d’ondes. Cette transition doit permettre d’adapter en impédance le mode fondamental du guide TE10 sur le mode quasi-TEM de la ligne micro ruban [68]. Une transition doit être simple à réaliser, engendrer un minimum de pertes et l’adaptation doit donc être optimale. Vu que l’impédance au niveau du guide est beaucoup plus importante que celle de la ligne micro ruban (généralement de 50Ω dans la gamme des microondes), la conception d’un tel dispositif reste assez compliquée. Les dimensions de cette transition sont optimisées pour fonctionner dans une bande de fréquences donnée. Les structures de transition entre les circuits planaires et les guides d’ondes rectangulaires traditionnels ont été largement étudiées [70], et différentes approches d’adaptation d’impédances ont été utilisées en microondes. A titre d’exemple la technique du guide d’onde corrugué considère une transition constituée d’une discontinuité entre une ligne micro-ruban et un guide d’ondes corrugué qui se transforme ensuite en un guide d’ondes rectangulaire métallique [69]. D’autres techniques utilisent une fente située au niveau du plan de masse sous la ligne micro-ruban ou une sonde ou un patch placé au bout de la ligne microruban [60]. D’autre part, depuis que les composants SIW et les circuits planaires ont pu être intégrés sur le même substrat, différentes transitions efficaces ont été proposées pour adapter des guides d’ondes avec les circuits planaires [71]. Nous citons en particulier la transition micro-ruban conique (taper), coplanaire au guide d’onde, facilement réalisable

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Table des matières

Dédicace
Remerciements
Résumé
SOMMAIRE
Liste des Tableaux
Liste des Abréviations
Liste des Symboles
Liste des figures
Introduction Générale
CHAPITER I : ASPECTS THEORIQUES DE LA CONCEPTION DES FILTRES PASSE BANDES A RESONATEURS
I.1 Introduction 
I.2. Généralités sur le filtrage
I.2.1. Définition du filtrage
I.2.2. Gabarits des Filtres
I.3. Fonctions de Filtrage
I.3.1. Approximation en amplitude de Butterworth
I.3.2. Approximation en Amplitude de Tchebychev
I.4. Transposition passe bas-passe bande
I.4.1. Prototype passe bas
I.4.2. Transformation de filtre en impédance à partir du prototype passe-bas
I.4.3.Transformation en fréquence : passe-bas → passe-bande
I.5. Étapes pour la conception de filtre passe-bande
I.5.1 Calcul du degré de filtre passe-bande Chebyshev
I.5.2 Détermination des valeurs d’éléments pour prototype passe bas
I.6. Modélisation des inverseurs d’impédances
I.6.1. Réalisation pratique des inverseurs
I.7 Notions de synthèse des filtres passe-bande à éléments distribués
I.7.1 Matrice de chaine d’un tronçon de ligne
I.8. Conclusion
CHAPITER II : THEORIE DES GUIDE D’ONDE ET ELEMENTS DE FILTRAGE
II.1. Introduction
II.2 Guide d’Ondes Rectangulaires
II.3 Résonateurs en Guide Rectangulaire
II.3.1 Fréquences Résonantes
II.3.2 Q du Mode TE10l
II.4 Discontinuités en Guides d’Ondes
II.4.1 Les Iris Inductifs
II.4.1.1. Iris Inductif Symétrique
II.4.1.2. Iris Inductif non-Symétrique
II.4.1.3. Post Inductif
II.4.2. Les Iris Capacitifs
II.4.2.1. Iris Capacitif Symétrique
II.4.2.2. Iris Capacitif non-Symétrique
II.4.2.3. Post Capacitif
II.5. Filtres passe bande à iris
II.5.1 Transformation en longueurs d’ondes
II.6. Méthode de Conception des filtres à guides d’onde à iris
II.6.1. Etapes de la Méthode Classique
II.6.2 Conception d’éléments localisés
a) En utilisant la synthèse classique
a-1) Cahier de charge
II.6.2.1 Synthèse du filtre passe bande localisé à bande étroite
II.6.2.2 Implémentation du filtre passe bande à bande étroite en technologie volumique
II.6.2.3.1 Iris inductifs
b) En utilisant le modèle d’inverseur d’impédance avec le simulateur EM Champ électrique
II.7. Conclusion
CHAPITER III: ETAT DE L’ART SUR LA SYNTHESE DES FILTRES PASSE BANDE
III. Introduction
III.1. Du quadripôle à la matrice de couplage
III.1.1. Synthèse conventionnelle des filtres à résonateurs couplés
III.1.2 Matrice [S] du quadripôle
III.2.1 Fonction de transfert
III.2.2. Prototypes passe-bas et matrice de couplage
III.2.3. Du passe-bas au passe-bande
III.2.4. Généralisation : Matrices de couplage pour un filtre passe-bande
III.3. Réalisation physique de la matrice de couplage
III.3.1 Couplage Inter-résonateurs
III.3.2. Cas où la structure de couplage est symétrique
III.3.3. Couplage électrique
III.3.4. Couplage magnétique
III.4. Détermination électromagnétique de fe et fm
III.4.1. Extraction du facteur de qualité externe
III.4.1.1. Méthode Fréquentielle
III.4.1.2. Méthode de retard de groupe
III.5. Etude d’un filtre passe bande en guides d’ondes en bande X
III.5.1. Circuit équivalent de structure proposé (Schématique)
III.5.2. La Mise en œuvre (Simulation EM)
III.5.3. Calcul de la configuration du cavité résonnante
III.5.4. Calcul de couplage d’entrée / sortie
III.5.5. Calcul des Dimensions d’Iris pour le couplage entre résonateurs
III.5.6 Répartition de champ électrique E
III.6. Autre Méthode d’Application de la Matrice de Couplage
III.6.1. Introduction
III.6.2 Description de la méthode de conception
III.6.3. Application de la méthode de conception
III.6.3.1 Sélection stratégique des étapes
III.7. Conception de filtre en guides d’ondes rectangulaires en bande Ku
III.7.1 Synthèse du filtre de Tchebychev
III.7.2 Matrice de couplage et facteur de qualité externe
III.7.3. Structure Proposé de Circuit équivalent
III.7.4. Conception électromagnétique de filtre passe bande en guide rectangulaire dans la bande Ku
III.7.5. Calcul de couplage d’entrée / sortie
III.7.6. Couplage inter-résonateurs
III.8. Conclusion

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