Dispositif à 4 pôles reporté

Les deux dispositifs suivants ont été réalisés dans des matériaux différents, alumine et cordiérite, pour profiter des technologies SLA. Cependant ces prototypes n’ont pas pu profiter du retour d’expérience acquis avec le filtre 2 pôles en aluminium, l’ensemble étant conçu et réalisé en parallèle. L’objectif est ici de présenter une autre topologie de filtre à cavité, en associant 4 résonateurs de formes optimisées (grâce à l’impression 3D) pour former un filtre 4 pôles sur le mode TM110. La bande passante que l’on a choisi est une des plus large possible, 1 GHz, soit 5 % de bande relative (pour montrer les différentes possibilités avec ce type de technologie). Les cavités utilisées font l’objet d’optimisations de formes de manière analogue aux travaux [113] pour essayer de diminuer les pertes métalliques. En partant d’un cylindre, une des surfaces planes présente une dépression afin d’optimiser la forme de la cavité par rapport à la forme des champs. Le gain de facteur de qualité est relativement faible (10 % en simulation par oscillation libre) mais un travail approfondi de la forme doit permettre de compenser les défauts de surface et la rugosité résultant de la fabrication, qui augmentent les pertes métalliques.

La Figure

103

présente la conception du prototype et la vue des champs électriques mis en jeu. A la vue vu des résultats précédents, il semble absolument nécessaire de prévoir des dispositifs de réglage post-fabrication pour travailler à ces fréquences. Les dimensions, réduites pour obtenir des bandes de fréquences autour de 20 GHz, conduisent à des tolérances de fabrication généralement trop élevées (quelle que soit la méthode de réalisation utilisée). Lors de la conception, nous avons donc placé des vis de réglage pour chaque couplage, entre les cavités, et pour chaque résonateur. Le placement s’est fait de manière analogue à ce qui est conçu couramment pour des filtres volumiques.

Figure 103 : vue CAO du concept de filtre 4 pôles reporté en surface (a), visualisation du champ électrique des cavités résonantes (c) et vue de la partie reportée avec les cavités optimisées (b)

Deux prototypes en alumine et en cordiérite ont pu être fabriqués pour valider ce concept, avec une métallisation en argent réalisée en technologie aérosol. Un dépôt d’argent de quelques micromètres a été réalisé à l’intérieur des pièces.

La Figure 104 présente d’abord le dispositif fait en alumine. Les tolérances de fabrication sont très dispersives, le retrait de la matière lors des différentes étapes de cuisson ne s’est pas fait de manière homogène. Par exemple, le diamètre des trous s’est réduit et nous avons dû utiliser des vis de diamètre inférieur. Le montage de cette pièce, plus lourde à cause de son volume plus important, s’est avéré également plus complexe. Sa masse et sa taille provoquent plus facilement des glissements par rapport à la position de report, à chaque manipulation. Comme pour la pièce précédente, il nous a été difficile de faire un dépôt de colle homogène avec les équipements du laboratoire.

Figure 104 : à droite, visualisation du filtre en alumine avant métallisation, puis vue du prototype complet, à gauche comparaison de la mesure avec la simulation

Les paramètres mesurés traduisent effectivement une grande sensibilité du prototype et ne mènent pas à des résultats concluants. Nous pouvons quand même noter la présence d’un niveau de pertes en transmission similaire au prototype précédent en aluminium, que nous attribuons principalement à la méthode de report, dont dépend la transition. L’adaptation est elle aussi insuffisante, ce qui peut être attribué à la grande sensibilité de la transition au montage.

Les vis de réglage n’ont pas eu assez d’effet pour compenser ces défauts. Leur présence, indispensable, nécessite davantage de travail en simulation pour qu’elles soient efficaces. La réponse n’a pas pu faire l’objet d’une extraction de schéma équivalent, car elle est trop éloignée de l’objectif fixé.

La Figure 105 présente ensuite le prototype en cordiérite. Celui-ci, moins lourd du fait d’une densité du matériau moins élevée, est cependant difficile à reporter à cause de sa taille. Une fois encore, les dimensions ne sont pas respectées à cause des tolérances de fabrication, elles sont néanmoins plus homogènes dans ce cas. Ici, seules des vis de réglage pour les résonateurs ont pu être insérées (avec un diamètre inférieur à celui prévu, du fait de la réduction des trous lors de la réalisation).

Figure 105 : à droite, visualisation du filtre en cordiérite avant métallisation, puis vue du prototype complet, à gauche comparaison de la mesure avec la simulation

Comme précédemment la réponse en fréquence présente des performances bien en deçà des simulations. L’assemblage étant réalisé dans les même conditions que précédemment, nous retrouvons des problèmes similaires. Il est à noter cependant que les 4 pôles du filtre sont observables. Une extraction de matrice de couplage (voir annexe 3) a ainsi pu être réalisée. Celle-ci est présentée sur la Figure 106. Les résultats de cette extraction montrent que le défaut principal est le manque de couplage aux accès du filtre. Les autres paramètres extraits de la matrice sont proches de la matrice objectif. Cela confirme bien qu’une transition mal reportée est trop sensible, et ne permet pas un bon couplage.

Figure 106 : extraction des matrices de couplages pour l’analyse de la réponse obtenue avec le filtre en cordiérite

Pour approfondir l’analyse de ce filtre, nous avons réalisé de nouvelles synthèses du filtre sur la base de la matrice de couplage extraite dans la Figure 106. L’objectif est de maintenir une part des coefficients de cette matrice (notamment les couplages dits parasites), et de n’agir que sur certains paramètres choisis. Ces coefficients choisis sont potentiellement ajustables grâce à la procédure d’assemblage ou aux vis de réglage.

Dans cette synthèse nous avons tout d’abord modifié les couplages inter-résonateurs 1-2 et 2-4 et les couplages aux accès. Les valeurs objectifs ont remplacé les valeurs extraites. Un meilleur recentrage de la bande de fréquence se produit, comme le montre la Figure 107. L’amélioration peut donc être obtenue par un prototype avec des vis de réglage plus fonctionnelles.

Ensuite, nous avons réalisé le même principe de rétro-analyse en jouant sur les fréquences centrales des résonateurs. La réponse obtenue en Figure 108 montre alors une meilleure adaptation. Ainsi, les principales actions à mener pour un second prototypage de filtre fonctionnel consiste à s’assurer de l’adaptation en entrée, via la transition, et de la bonne dynamique des vis de réglages.

Figure 107 : rétro-analyse de la mesure en modifiant les couplages inter-résonateurs et couplages aux accès

Figure 108 : rétro-analyse de la mesure en modifiant les fréquences centrales des résonateurs Les résultats obtenus sont donc toujours limités par la faible qualité du report. La première série de prototype nous a permis d’identifier plusieurs problèmes majeurs dans la réalisation de tels dispositif. Nous estimons que sur la base de cette expérience, des cycles de prototypage supplémentaires permettraient d’aboutir à des solutions satisfaisantes.

Dans le document Filtres hyperfréquences reportés en surface, à fort facteur de qualité et compensés en température (Page 150-155)